DE69804375T2 - Synthesis gas production with ion transport membranes - Google Patents
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Description
Synthesegas, das Wasserstoff und Kohlenstoffoxide enthält, ist ein wichtiges Basisprodukt für die Herstellung eines weiten Bereiches von chemischen Produkten. Synthesegas-Gemische mit den geeigneten Verhältnissen von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid werden katalytisch zur Reaktion gebracht, um flüssige Kohlenwasserstoffe und mit Sauerstoff verbundene oder angereicherte Verbindungen einschließlich Methanol, Essigsäure, Dimethylether, Oxoalkohole und Isocyanate herzustellen. Hochreiner Wasserstoff und Kohlenmonoxid werden durch weitere Verarbeitung und Zerlegung des Synthesegases wiedergewonnen. Die Kosten für die Erzeugung des Synthesegases sind üblicher Weise der größte Teil der Gesamtkosten dieser Produkte.Synthesis gas, which contains hydrogen and carbon oxides, is an important base product for the manufacture of a wide range of chemical products. Synthesis gas mixtures with the appropriate ratios of hydrogen to carbon monoxide are catalytically reacted to produce liquid hydrocarbons and oxygenated or enriched compounds, including methanol, acetic acid, dimethyl ether, oxo alcohols and isocyanates. High purity hydrogen and carbon monoxide are recovered by further processing and separation of the synthesis gas. The cost of producing the synthesis gas is usually the largest part of the total cost of these products.
Zwei Haupt-Reaktionswege werden für die Herstellung von Synthesegas verwendet, nämlich die Dampfreformierung von leichten Kohlenwasserstoffen, in erster Linie natürliches Gas bzw. Erdgas, Naphtha bzw. Erdöl bzw. Rohöl sowie Abgase von Raffinerien, und die teilweise Oxidierung von Kohlenstoff enthaltenden Ausgangsprodukten, die von Erdgas bis zu flüssigen kohlenstoffhaltigen Materialien mit hohem Molekulargewicht oder festen kohlenstoffhaltigen Materialien reichen. Das autothermale bzw. Selbsterwärmungs-Reformieren ist ein alternatives Verfahren, wobei ein auf leichten Kohlenwasserstoffen baiserendes Ausgangsmaterial verwendet wird, das Merkmale sowohl der partiellen Oxidation als auch der Dampfreformierung in einem einzigen Reaktor kombiniert. Bei den verschiedenen Versionen des Verfahrens wird das Speisegas teilweise in einem speziell ausgelegten Brenner oxidiert und die sich ergebenden, heißen Gase strömen durch ein Katalysatorbett, wo das Dampfreformieren auftritt. Neuere Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas enthalten verschiedene Wärmetauscher-Reformer, wie beispielsweise das gaserwärmte Reformieren (GHR für gas heated reforming), entwickelt von ICI, den SMART Reformer von KTI und den CAR Reformer von UHDE; das verbesserte Texaco Vergasungsverfahren (TGP für Texaco gasification process), das in ihrem HyTEXTM Wasserstoff-Erzeugungssystem enthalten ist; Haldor Topsoe's HERMES Verfahren; das Shell Vergasgungsverfahren (SGP für Shall gasification Process); das Wirbelbett-Synthesegas-Verfahren von Exxon; und das KRES Verfahren von Kellogg's.Two main reaction pathways are used to produce syngas, namely steam reforming of light hydrocarbons, primarily natural gas, naphtha and refinery off-gases, and partial oxidation of carbonaceous feedstocks ranging from natural gas to high molecular weight liquid carbonaceous materials or solid carbonaceous materials. Autothermal reforming is an alternative process using a light hydrocarbon-based feedstock that combines features of both partial oxidation and steam reforming in a single reactor. In the various versions of the process, the feed gas is partially oxidized in a specially designed burner and the resulting hot gases pass through a catalyst bed where steam reforming occurs. Newer processes for producing syngas include various heat exchanger reformers, such as gas heated reforming (GHR) developed by ICI, the SMART reformer by KTI and the CAR reformer by UHDE; the improved Texaco gasification process (TGP) process) contained in their HyTEXTM hydrogen production system; Haldor Topsoe's HERMES process; the Shell gasification process (SGP); Exxon's fluidized bed syngas process; and Kellogg's KRES process.
Der Stand der Technik für die kommerzielle Technologie bei der Synthesegas- Erzeugung wird in representativen Übersichtsartikeln zusammengefasst, einschließlich "Steam Reforming - Opportunities and Limits of the Technology" ("Dampfreformierung - Gelegenheiten und Grenzen der Technologie") von J. Rostrup-Nielsen u. a., präsentiert in der NATO ASI Study on Chemical Reactor Technology for Environmentally Safe Reactors and Predictors (NATO ASI Studie über die Technologie von chemischen Reaktoren für umweltmäßig sichere Reaktoren und Prädiktoren), 25. Aug. - 6 Sept. 1991, Ontario, Kanada; "Improve Syngas Production Using Autothermal Reforming " (Verbessere die Synthesegas- Produktion durch Verwendung von autothermalem Reformieren") von T. S. Christiansen u. a., in Hydrocarbon Processing, März 1994, Seiten 39-46; "Evaluation of Natural Gas Based Synthesis Gas Production Technologies" (Evaluierung der Technologien für die auf Erdgas basierende Herstellung von Synthesegas") von T. Sundset u. a. in Catalysis Today, 21 (1994), Seiten 269-278; "Production of Synthesis Gas by Partial Oxidation of Hydrocarbons" ("Herstellung von Synthesegas durch partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen") von C. L. Reed u. a., präsentiert bei dem 86-ten National AIChE Kongress, Houston, Texas, 1-5 April 1979; "Texaco's HyTEXTM Process for High Pressure Hydrogen Production" (" Das HyTEXTM Verfahren von Texaco für die Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff") von F. Fong, präsentiert bei dem KTI Symposium, 27. April 1993, Caracas, Venezuela; und "Custom-Made Synthesis Gas Using Texaco's Partial Oxidation Technology" (kundenspezifisches Synthesegas unter Verwendung der Texaco Technologie für die partielle Oxidation" von P. J. Osterrieth u. a., präsentiert bei dem AIChE Spring National Kongress, New Orleans, LA, 9. März 1988.The state of the art for commercial technology in syngas production is summarized in representative review articles, including "Steam Reforming - Opportunities and Limits of the Technology" by J. Rostrup-Nielsen et al., presented at the NATO ASI Study on Chemical Reactor Technology for Environmentally Safe Reactors and Predictors, Aug. 25 - Sept. 6, 1991, Ontario, Canada; "Improve Syngas Production Using Autothermal Reforming" by T. S. Christiansen et al., in Hydrocarbon Processing, March 1994, pp. 39-46; "Evaluation of Natural Gas Based Synthesis Gas Production Technologies" by T. Sundset et al., in Catalysis Today, 21 (1994), pp. 269-278; "Production of Synthesis Gas by Partial Oxidation of Hydrocarbons" by C. L. Reed et al., presented at the 86th National AIChE Congress, Houston, Texas, April 1-5, 1979; "Texaco's HyTEXTM Process for High Pressure Hydrogen Production" by F. Fong, presented at the KTI Symposium, April 27, 1993, Caracas, Venezuela; and "Custom-Made Synthesis Gas Using Texaco's Partial Oxidation Technology" by P. J. Osterrieth et al., presented at the AIChE Spring National Congress, New Orleans, LA, March 9, 1988.
Bei den oben beschriebenen kommerziellen Prozessen für die partielle Oxidation ist Sauerstoff erforderlich und wird typischer Weise mit Reinheiten von 95 bis 99,9 Vol.-% zugeführt. Sauerstoff wird durch die Zerlegung von Luft unter Verwendung von bekannten Verfahren erhalten, üblicher Weise der Tieftemperatur-Destillation von Luft für größere Volumina und der Druckwechseladsorption für kleinere Volumina.In the commercial partial oxidation processes described above, oxygen is required and is typically supplied at purities of 95 to 99.9 vol.%. Oxygen is obtained by the separation of air using known methods, usually cryogenic distillation. of air for larger volumes and pressure swing adsorption for smaller volumes.
Eine alternative Technologie für die Herstellung von Synthesegas befindet sich in den Frühstufen ihrer Entwicklung, wobei Sauerstoff für die Reaktionen bei der partiellen Oxidation in situ durch die Zerlegung von Luft bei hohen Temperaturen unter Verwendung von keramischen, Keramik-Metall oder Verbundmembranen aus Keramik-Keramik zur Verfügung gestellt wird, die sowohl elektronische Spezies als auch Sauerstoff-Ionen leiten. Diese Membranen sind Teil einer Klasse von Membranen, die im allgemeinen unter dem Gattungsbegriff "Ionen-Transport- Membranen" zusammengefasst werden, und befinden sich in einer spezifischen Klasse von Ionen-Transport-Membranen, die sowohl elektronische Spezies als auch Sauerstoff-Ionen leiten, die kollektiv als gemischt leitende Membranen bekannt sind. Diese Membranen können in Kombination mit geeigneten Katalysatoren verwendet werden, um Synthesegase in einem Membran-Reaktor zu erzeugen, ohne dass der Bedarf für einen getrennten Schritt für die Sauerstoffherstellung besteht. Der Reaktor ist durch eine oder mehrere Reaktionszonen gekennzeichnet, wobei jede Zone eine gemischt leitende Membran aufweist, die die Zone in eine Oxidationsmittel-Seite und eine Reaktionsmittel-Seite auftrennt.An alternative technology for the production of syngas is in the early stages of development, whereby oxygen is provided for the reactions in the partial oxidation in situ by the decomposition of air at high temperatures using ceramic, ceramic-metal or ceramic-ceramic composite membranes that conduct both electronic species and oxygen ions. These membranes are part of a class of membranes generally referred to under the generic term "ion transport membranes" and are in a specific class of ion transport membranes that conduct both electronic species and oxygen ions, collectively known as mixed conducting membranes. These membranes can be used in combination with suitable catalysts to produce syngases in a membrane reactor without the need for a separate oxygen production step. The reactor is characterized by one or more reaction zones, each zone having a mixed conducting membrane that separates the zone into an oxidant side and a reactant side.
Ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch, typischer Weise Luft, wird mit der Oxidationsmittel-Seite der Membran in Kontakt gebracht, und Sauerstoffgas dissoziiert, um Sauerstoff-Ionen zu bilden, die durch das Membranmaterial diffundieren. Ein Reaktionsmittel- bzw. Reaktionspartner-Gas, das Methan und andere Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Molekulargewicht enthält, typischer Weise Erdgas, optional mit dem Zusatz von Dampf, fließt über die Reaktionspartner-Seite der Membran. Sauerstoff auf der Reaktionspartner-Seite der Membran reagiert mit Komponenten in dem Reaktionspartner-Gas, um Synthesegas zu bilden, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Ein Katalysator zur Beschleunigung des Stoffübergangs von Sauerstoff in der Membran kann an die Oberfläche der Membran auf der Oxidationsmittel-Seite angelegt werden. Ein Katalysator zur Beschleunigung der Umwandlung der Komponenten des Reaktionspartner-Gases zu Synthesegas können auf die Oberfläche der Reaktionspartner-Seite der Membran angewandt werden; als Alternative hierzu kann eine granulare Form des Katalysators in der Nähe der Membranoberfläche angeordnet werden. Katalysatoren, die die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, Dampf und Kohlendioxid begünstigen bzw. beschleunigen, sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt.An oxygen-containing gas mixture, typically air, is contacted with the oxidant side of the membrane, and oxygen gas dissociates to form oxygen ions which diffuse through the membrane material. A reactant gas containing methane and other low molecular weight hydrocarbons, typically natural gas, optionally with the addition of steam, flows across the reactant side of the membrane. Oxygen on the reactant side of the membrane reacts with components in the reactant gas to form synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide. A catalyst to accelerate the mass transfer of oxygen in the membrane may be applied to the surface of the membrane on the oxidant side. A catalyst to accelerate the conversion of the components of the reactant gas to synthesis gas may be applied to the surface of the reactant side of the membrane; alternatively, a granular form of the catalyst may be applied in the near the membrane surface. Catalysts that promote or accelerate the conversion of hydrocarbons, steam and carbon dioxide are well known in the art.
Weiterhin sind im Stand der Technik zahlreiche Reaktoren und Mischungen aus Gemisch leitenden Membranen offenbart worden, die für diesen Zweck geeignet sind. Membran-Reaktoren und Verfahren zum Betreiben dieser Reaktoren für die selektive Oxidation von Kohlenwasserstoffen werden in den zugehörigen US- Patenten 5 306 411 und 5 591 315 offenbart. Keramische Membranen mit weiten Bereichen von Zusammensetzungen werden beschrieben, die den Stoffübergang des Sauerstoff aus einem Sauerstoff enthaltenden Gas und die Reaktion des übergegangenen Sauerstoffs mit einem Methan enthaltenden Gas begünstigen bzw. beschleunigen, um Synthesegas zu bilden. Gemischte Leiter mit einer einphasige Perovskite-Strukture werden für das Membran-Material verwendet; alternativ hierzu werden Mehrphasen-Feststoffe als duale Leiter benutzt, wobei eine Phase Sauerstoff-Ionen und eine andere eine elektronische Spezies leitet. Ein Membran-Reaktor zur Erzeugung von Synthesegas wird offenbart, der bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1400ºC arbeitet, wobei der Reaktor auf die gewünschte Temperatur erwärmt und die Temperatur während der Reaktion durch externe Erwärmung und/oder exotherme Wärme von den ablaufenden chemischen Reaktionen aufrecht erhalten werden kann. Bei einer allgemeinen Ausführungsform wird offenbart, dass der Prozess bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1300ºC durchgeführt wird. Es werden experimentelle Ergebnisse für den Sauerstoff-Fluss und die Synthesegas-Produktion in einem isothermen Labor- Reaktor unter Verwendung einer doppelt leitenden Membran bei einer konstanten Temperatur von 1100ºC berichtet. Inerte Verdünnungsmittel wie beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium und andere Gase können in der Reaktor-Einspeisung vorhanden sein und stören die gewünschten chemischen Reaktionen nicht. Wenn Dampf in der Reaktoreinspeisung vorhanden ist, wird er als ein inertes Gas oder ein Verdünnungsmittel angesehen.Furthermore, numerous reactors and mixtures of mixed conducting membranes suitable for this purpose have been disclosed in the prior art. Membrane reactors and methods of operating these reactors for the selective oxidation of hydrocarbons are disclosed in related U.S. Patents 5,306,411 and 5,591,315. Ceramic membranes with wide ranges of compositions are described that promote or accelerate the mass transfer of oxygen from an oxygen-containing gas and the reaction of the transferred oxygen with a methane-containing gas to form synthesis gas. Mixed conductors having a single-phase perovskite structure are used for the membrane material; alternatively, multiphase solids are used as dual conductors, with one phase conducting oxygen ions and another conducting an electronic species. A membrane reactor for producing synthesis gas is disclosed which operates at a temperature in the range of 1000 to 1400°C, wherein the reactor can be heated to the desired temperature and the temperature can be maintained during the reaction by external heating and/or exothermic heat from the chemical reactions taking place. In a general embodiment, the process is disclosed to be carried out at temperatures in the range of 1000 to 1300°C. Experimental results are reported for oxygen flow and synthesis gas production in a laboratory isothermal reactor using a double conducting membrane at a constant temperature of 1100°C. Inert diluents such as nitrogen, argon, helium and other gases can be present in the reactor feed and do not interfere with the desired chemical reactions. If steam is present in the reactor feed, it is considered an inert gas or a diluent.
In einem Artikel mit dem Titel "Ceramic Membranes for Methane Conversion" (Keramische Membranen für die Methan-Umwandlung"), der bei der Coal Liquefaction and Gas Conversion Contractors, Review Conference, 7-8 Sept. 1994, Pittsburgh, PA. präsentiert wurde, beschrieben U. Balachandran u. a. die Herstellung von langen Rohren aus Sr-Co0,5-Fe-Ox Membranen und den Betrieb dieser Rohre für die Umwandlung von Methan zu Synthesegas in Labor-Reaktoren bei 850ºC.In a paper entitled "Ceramic Membranes for Methane Conversion" presented at the Coal Liquefaction and Gas Conversion Contractors, Review Conference, 7-8 Sept. 1994, Pittsburgh, PA., U. Balachandran et al. described the fabrication of long tubes made of Sr-Co0.5-Fe-Ox membranes and the operation of these tubes for the conversion of methane to synthesis gas in laboratory reactors at 850ºC.
Das US-Patent 4 793 904 offenbart die Verwendung einer festen Elektrolyt- Membran mit leitenden Beschichtungen auf beiden Seiten, die optional durch eine externe Schaltung verbunden sind. Die Membran wird in einer elektrolytischen Zelle bei Temperaturen im Bereich von 1050 bis 1300ºC verwendet, um Methan bei einem Druck von ungefähr 0,1 bis ungefähr 100 Atmosphären in Synthesegas umzuwandeln. Experimentelle Ergebnisse für die Umwandlung von Methan in Synthesegas-Komponenten in einer Reaktorzelle mit einer yttria-stabilisierten Zirkoniomoxid-Membran mit Platin-Elektroden werden vorgestellt, wobei optional eine externe elektrische Schaltung verwendet wird. Die Reaktorzelle wurde isotherm bei einer Temperatur von 800, 1000 oder 1100ºC betrieben.US Patent 4,793,904 discloses the use of a solid electrolyte membrane with conductive coatings on both sides optionally connected by an external circuit. The membrane is used in an electrolytic cell at temperatures ranging from 1050 to 1300°C to convert methane to synthesis gas at a pressure of about 0.1 to about 100 atmospheres. Experimental results are presented for the conversion of methane to synthesis gas components in a reactor cell with an yttria-stabilized zirconia membrane with platinum electrodes, optionally using an external electrical circuit. The reactor cell was operated isothermally at a temperature of 800, 1000 or 1100°C.
Die zusammen gehörenden US-Patente 5 356 728 und 5 580 497 offenbaren elektrochemische Reaktorzellen mit Querströmung und den Betrieb dieser Zellen, um Synthesegas aus Methan und anderen leichten Kohlenwasserstoffen zu erzeugen. Gemischt leitende Membranen, die aus Gemischtoxid-Materialien mit Perovskite- oder Nicht-Perovskite-Strukturen hergestellt werden, werden für den Einsatz in den Kreuz- bzw. Querströmungs-Reaktorzellen offenbart. Die Herstellung von Synthesegas durch die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen wird unter Verwendung von Reaktortemperaturen von ungefähr 1000 bis 1400ºC oder alternativ im Bereich von ungefähr 450 bis 1250ºC offenbart. Es werden experimentelle Ergebnisse für die Erzeugung von Synthesegas in isothermen, rohrförmigen Laborreaktoren bei konstanten Temperaturen im Bereich von 450 bis 850ºC berichtet. Der Druck in dem Reaktor mit dem Keramikrohr, typischer Weise ungefähr 6 Zoll Wassersäule wurde mittels eines Downstream-Wasserrührwerks (pneumatisch), also eines Downstreams-Water Bubblers aufrechterhalten.Related U.S. Patents 5,356,728 and 5,580,497 disclose cross-flow electrochemical reactor cells and the operation of these cells to produce synthesis gas from methane and other light hydrocarbons. Mixed conducting membranes made from mixed oxide materials having perovskite or non-perovskite structures are disclosed for use in the cross-flow and cross-flow reactor cells, respectively. The production of synthesis gas by the partial oxidation of hydrocarbons is disclosed using reactor temperatures of about 1000 to 1400°C or, alternatively, in the range of about 450 to 1250°C. Experimental results are reported for the production of synthesis gas in isothermal, tubular laboratory reactors at constant temperatures in the range of 450 to 850°C. The pressure in the reactor with the ceramic tube, typically about 6 inches of water column, was maintained by means of a downstream water agitator (pneumatic), i.e. a downstream water bubbler.
Das US-Patent 5 276 237 offenbart die partielle Oxidation von Methan zu Synthesegas unter Verwendung einer Membran aus einem Gemischtmetall-Oxid mit Aluminiumoxid mit mehrwertigen Aktivierungs-Metallen, wie beispielsweise Yttrium und Barium. Es wird ein Verfahrenskonzept mit niedriger Sauerstoff-Wiedergewinnung offenbart, um die Wärmeabführung zu erleichtern und eine hohe Antriebskraft für den Sauerstoff-Partialdruck aufrechtzuerhalten. Die Reaktionen bei der partiellen Oxidation wurden bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 500 bis ungefähr 1200ºC ausgeführt, und zu der Temperatur auf der Sauerstoff-Seite der Membran wird ausgesagt, dass sie maximal nur einige Grad kleiner als die Reaktions-Temperatur auf der Reaktionspartner-Seite der Membran ist.US Patent 5,276,237 discloses the partial oxidation of methane to synthesis gas using a mixed metal oxide membrane containing alumina with multivalent activation metals such as yttrium and barium. A low oxygen recovery process concept is proposed. to facilitate heat removal and maintain a high driving force for the oxygen partial pressure. The partial oxidation reactions were carried out at a temperature in the range of about 500 to about 1200°C, and the temperature on the oxygen side of the membrane is said to be at most only a few degrees lower than the reaction temperature on the reactant side of the membrane.
Die praktische Anwendung von gemischt leitenden Membranen zur Erzeugung von Synthesegas wird Reaktor-Module mit einer Vielzahl von individuellen Membranen mit geeigneten Einlass- und Auslass-Strömungsrohren verwenden, um die Speise- und Produktgas-Ströme zu transportieren. Solche Module stellen die große Membran-Oberfläche zur Verfügung, die benötigt wird, um kommerziell sinnvolle Volumina von Synthesegas-Produkt zu erzeugen. Im Stand der Technik werden verschiedene Konstruktionen für Membran-Module offenbart, die diese Anforderung berücksichtigen. Die bereits zitierten US-Patente 5 356 728 und 5 580 497 beschreiben einen Typ eines Querströmungs-Membran-Reaktors, der hohle keramische Schaufeln hat, die quer zu einer Gasstrom-Strömung positioniert sind, oder aber einen Stapel von quer verlaufenden hohlen keramischen Schaufeln hat, die Kanäle für den Gasstrom enthalten. Als Alternative hierzu kann der Querströmungs-Reaktor in der Form eines monolithischen Kerns mit geeigneten Einlass- und Auslass-Rohren hergestellt werden. Das US-Patent 4 791 079 offenbart Konstruktionen von Membran-Modulen für Reaktoren mit gemischt leitenden Membranen für die oxidative Kopplung von Methan, um höhere Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Kohlenoxide zu erzeugen.The practical application of mixed conducting membranes to produce syngas will utilize reactor modules having a plurality of individual membranes with appropriate inlet and outlet flow tubes to transport the feed and product gas streams. Such modules provide the large membrane surface area needed to produce commercially viable volumes of syngas product. Various designs for membrane modules are disclosed in the prior art that address this requirement. U.S. Patents 5,356,728 and 5,580,497, previously cited, describe a type of cross-flow membrane reactor having hollow ceramic vanes positioned transversely to a gas stream flow or having a stack of transverse hollow ceramic vanes containing channels for the gas stream. Alternatively, the cross-flow reactor can be fabricated in the form of a monolithic core with appropriate inlet and outlet tubes. US Patent 4,791,079 discloses membrane module designs for mixed conducting membrane reactors for the oxidative coupling of methane to produce higher hydrocarbons, hydrogen and carbon oxides.
Ein planarer Membran-Modul wird in der EP 0 732 138 A2 beschrieben, die eine Vielzahl von planaren Einheiten enthält, die jeweils einen kanalfreien porösen Träger mit einer äußeren Schicht aus einem gemischt leitenden Oxidmaterial aufweisen. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas wird durch die porösen Träger geführt, und der Permeat-Sauerstoff reagiert mit den leichten Kohlenwasserstoffen an der äußeren Schicht des gemischt leitenden Oxidmaterials. Der Modul wird für die kontinuierliche Herstellung von Synthesegas auf eine Temperatur erwärmt, die im Bereich von ungefähr 300 bis 1200ºC liegt. Das US-Patent 5 599 383 offenbart einen rohrförmigen Festkörper-Membran-Modul mit einer Vielzahl von gemischt leitenden Rohren, von denen jedes ein inneres poröses Material enthält, das die Rohrwände trägt und eine Gasströmung in dem Rohr ermöglicht. Der Modul kann verwendet werden, um Synthesegas zu erzeugen, wobei ein Sauerstoff enthaltendes Gas durch die Innenseite der Rohre und ein Kohlenwasserstoffe enthaltendes Gas über die Außenseite der Rohre geführt wird. Der Modul wird auf eine Temperatur erwärmt, die im Bereich von 300 bis 1200ºC liegt, wobei das Sauerstoff enthaltende Gas durch die Rohre geführt wird, während das Wasserstoff enthaltende Gas über die Außenseite der Rohre verläuft. Sauerstoff diffundiert durch die gemischt leitenden Rohrwände und reagiert mit dem Kohlenwasserstoff unter kontrollierten Bedingungen, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Synthesegas zu erzeugen. Ein Katalysator zur Beschleunigung bzw. Begünstigung der Bildung von Synthesegas kann auf die äußere Oberfläche der Rohre aufgebracht werden.A planar membrane module is described in EP 0 732 138 A2 which includes a plurality of planar units each comprising a channel-free porous support with an outer layer of a mixed conducting oxide material. An oxygen-containing gas is passed through the porous supports and the permeate oxygen reacts with the light hydrocarbons on the outer layer of the mixed conducting oxide material. The module is heated to a temperature ranging from about 300 to 1200°C for the continuous production of synthesis gas. US Patent 5 599 383 discloses a tubular solid state membrane module with a plurality of mixed conducting tubes, each containing an internal porous material that supports the tube walls and permits gas flow within the tube. The module may be used to produce synthesis gas by passing an oxygen-containing gas through the inside of the tubes and a hydrocarbon-containing gas over the outside of the tubes. The module is heated to a temperature ranging from 300 to 1200°C, with the oxygen-containing gas passing through the tubes while the hydrogen-containing gas passes over the outside of the tubes. Oxygen diffuses through the mixed conducting tube walls and reacts with the hydrocarbon under controlled conditions to produce synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide. A catalyst to promote the formation of synthesis gas may be applied to the outer surface of the tubes.
Der oben zusammengestellte Stand der Technik auf diesem Gebiet characterisiert die Temperaturen und die Drücke in gemischt leitenden Membran-Reaktoren für die Synthesegas-Erzeugung in allgemeinen, nicht-räumlichen Begriffen, d. h., Unterschiede in der Temperatur und dem Druck als eine Funktion der Reaktorgeometrie werden nicht berücksichtigt. Alle obigen Offenbarungen lehren den Betrieb von Reaktoren bei einer einzigen Temperatur, d. h., als isothermale Reaktoren, insbesondere für Reaktoren im Labor-Maßstab. In einigen Fällen werden allgemeine Temperatur-Bereiche für den Reaktorbetrieb offenbart, es wird jedoch keine Information in Bezug darauf angeboten, wie sich die Temperatur mit der Reaktorgeometrie ändert. In allen Fällen werden Gasdrücke als einzelne Drücke unabhängig von der Geometrie berichtet, und es werden keine Druckdifferenzen zwischen der Oxidationsmittel(luft)seite und der Kohlenwasserstoff(Brennstoff)- Seite offenbart.The prior art in this area summarized above characterizes the temperatures and pressures in mixed conducting membrane reactors for syngas production in general, non-spatial terms, i.e., differences in temperature and pressure as a function of reactor geometry are not taken into account. All of the above disclosures teach operation of reactors at a single temperature, i.e., as isothermal reactors, particularly for laboratory-scale reactors. In some cases, general temperature ranges for reactor operation are disclosed, but no information is offered regarding how temperature varies with reactor geometry. In all cases, gas pressures are reported as single pressures independent of geometry, and no pressure differences are disclosed between the oxidizer (air) side and the hydrocarbon (fuel) side.
C.-Y. Tsai u. a. beschreiben ein nicht-isothermales, zweidimensionales Berechnungsmodell für einen Reaktor mit gemischt leitender Membran, der eine Perovskite Membran für die partielle Oxidation von Methan zu Synthegas verwendet. Diese Arbeit wird in zusammengehörigen Publikationen mit dem Titel "Simulation of a Nonisothermal Catalytic Membrane Reactor for Methane Partial Oxidation to Syngas" ("Simulation eines nicht-isothermalen, katalytischen Membran- Reaktors für die teilweise Oxidation von Methan zu Synthesegase") in den Proceedings ot the Third International Conference on lnorganic Membranes (Veröffentlichungen der dritten internationalen Konferenz über anorganische Membranen), Worcester MA, 10-14 Juli, 1994 und "Modeling and Simulation of a Nonisothermal Catalytic Membrane Reactor" ("Modellbildung und Simulation eines nichtisothermal katalytischen Membran-Reaktors") in Chem. Eng Comm., 1995, Band 134, Seiten 107-132, präsentiert. Die Simulation beschreibt die Auswirkungen der Strömungsrate des Gases, der Reaktorlänge und der Membrandicke auf die Methanumwandlung und die Synthesegas-Selektivität für eine rohrförmige Reaktor-Konfiguration mit Luft auf der Mantelseite. Temperaturprofile als eine Funktion der axialen Reaktor-Position werden ebenfalls präsentiert. Die Schlüsselparameter werden für alle Simulations-Fälle konstant gehalten; insbesondere wird der Druck sowohl auf der Mantel- als auch auf der Rohrseite des Reaktors mit 1 atm spezifiziert, und die Einlasstemperatur wird bei 800ºC spezifiziert. Eine zusätzliche Erörterung der experimentellen und Berechnungs-Arbeiten auf Gegenstände in diesen beiden Publikationen werden in der Doktorarbeit von C.-Y. Tsai mit dem Titel "Perovskite Dense Membrane Reactors for the Partial Oxidation of Methane for Synthesis Gas" ("Dichte Membran-Reaktoren aus Perovskite für die partielle Oxidation von Methan zu Synthesegas"), Mai 1996, Worcester Polytechnic Insitute (erhältlich durch UMI Dissertations-Service) präsentiert.C.-Y. Tsai et al. describe a non-isothermal, two-dimensional computational model for a mixed conducting membrane reactor using a perovskite membrane for the partial oxidation of methane to syngas. This work is reported in related publications entitled "Simulation of a Nonisothermal Catalytic Membrane Reactor for Methane Partial Oxidation to Syngas" in the Proceedings of the Third International Conference on lnorganic Membranes, Worcester MA, 10-14 July, 1994 and "Modeling and Simulation of a Nonisothermal Catalytic Membrane Reactor" in Chem. Eng Comm., 1995, volume 134, pages 107-132. The simulation describes the effects of gas flow rate, reactor length and membrane thickness on methane conversion and syngas selectivity for a tubular reactor configuration with air on the shell side. Temperature profiles as a function of axial reactor position are also presented. Key parameters are held constant for all simulation cases; in particular, the pressure on both the shell and tube sides of the reactor is specified as 1 atm, and the inlet temperature is specified at 800ºC. Additional discussion of the experimental and computational work on subjects in these two publications is presented in the PhD thesis of C.-Y. Tsai entitled "Perovskite Dense Membrane Reactors for the Partial Oxidation of Methane for Synthesis Gas", May 1996, Worcester Polytechnic Insitute (available through UMI Dissertation Services).
Die praktische Anwendung von gemischt leitenden Membranen zur Erzeugung von Synthesegas erfordert Reaktor-Module mit einer Vielzahl von individuellen Membranen mit geeigneten Einlass- und Auslass-Strömungsleitungen, um Speise- und Produktgas-Ströme zu transportieren. Der erfolgreiche Betrieb solcher Reaktor-Module wird die sorgfältige Auswahl und Steuerung bzw. Regelung der Einlass-, Zwischen- und Auslass-Gastemperaturen erfordern, da diese Temperaturen sowohl die chemischen Reaktionen, die in dem Reaktor auftreten, als auch die mechanische Integrität der Reaktorbaugruppe beeinflussen. Zusätzlich werden die Gasdrücke in dem Reaktor die Produktverteilung, die Reaktorintegrität, die Ausrüstung für die Gaskompression und die Energieanforderungen beeinflussen; deshalb müssen die Gasdrücke bei der Auslegung bzw. Konstruktion und dem Betrieb der Reaktormodule sorgfältig spezifiziert werden. Der Stand der Technik hat diese wichtigen Konstruktions- und Betriebs-Angaben bisher nicht angesprochen. Die Erzeugung von Synthesegas unter Verwendung von gemischt leitenden Membran- Reaktoren wird auch die Integration von Reaktormodulen mit Zuführungssystemen für das Speisegas und mit den Produktgas-Behandlungs- und -Zerlegungssystemen involvieren. Die Integration von gemischt leitenden Membran-Reaktoren in die Gesamtverfahrenskonstruktion für die Erzeugung von Synthesegas ist ebenfalls im Stand der Technik bisher nicht angesprochen.The practical application of mixed conducting membranes to produce synthesis gas requires reactor modules with a plurality of individual membranes with appropriate inlet and outlet flow lines to transport feed and product gas streams. Successful operation of such reactor modules will require careful selection and control of inlet, intermediate and outlet gas temperatures, as these temperatures affect both the chemical reactions occurring in the reactor and the mechanical integrity of the reactor assembly. In addition, gas pressures in the reactor will affect product distribution, reactor integrity, gas compression equipment and power requirements; therefore, gas pressures must be carefully specified in the design and operation of the reactor modules. The prior art has not addressed these important design and operating details. The production of synthesis gas using mixed conducting membranes Reactors will also involve the integration of reactor modules with feed gas supply systems and with product gas treatment and separation systems. The integration of mixed conducting membrane reactors into the overall process design for the production of synthesis gas has also not yet been addressed in the prior art.
Die erfolgreiche Konstruktion bzw. das erfolgreiche Design und der Betrieb von Systemen zur Erzeugung von Synthesegas, die gemischt leitende Membran- Reaktoren verwenden, müssen die Spezifikation von Temperaturen und Drücken in den Reaktoren und auch die Integration der Reaktoren mit den Gasverarbeitungssystemen enthalten, die in Strömungsrichtung vor und hinter den Reaktoren vorgesehen sind. Die unten beschriebene und in den folgenden Ansprüchen definierte Erfindung geht auf diese praktische Design- und Betriebs-Anforderungen für die Erzeugung von Synthesegas in Membran-Reaktionssystemen ein.The successful design and operation of synthesis gas generation systems using mixed conducting membrane reactors must include the specification of temperatures and pressures in the reactors and also the integration of the reactors with the gas processing systems provided upstream and downstream of the reactors. The invention described below and defined in the following claims addresses these practical design and operating requirements for synthesis gas generation in membrane reaction systems.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Erzeugung von Synthesegas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, das aufweist:The invention relates to a process for the production of synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide, which comprises:
(a) Vorsehen einer Reaktionszone mit einer Oxidationsmittel-Seite und einer Reaktionspartner-Seite, die durch eine feste, gemischte, leitende Membran getrennt sind;(a) providing a reaction zone having an oxidant side and a reactant side separated by a solid mixed conducting membrane;
(b) Erwärmen einer Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel-Gaseinspeisung und Einführung der sich ergebenden, erwärmten Oxidationsmittel-Gaseinspeisung in die Oxidationsmittel-Seite der Reaktionszone bei einer Oxidationsmittel-Gaseinspeisungs-Temperatur und einem Oxidationsmittel-Gaseinspeisungs-Druck;(b) heating an oxygen-containing oxidant gas feed and introducing the resulting heated oxidant gas feed into the oxidant side of the reaction zone at an oxidant gas feed temperature and an oxidant gas feed pressure;
(c) Erwärmen eines Methan enthaltenden Reaktionspartner-Gases und Einführung der sich ergebenden erwärmten Reaktionspartner-Gaseinspeisung in die Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone bei einer Reaktionspartner-Gaseinspeisungs-Temperatur und einem Reaktionspartner-Gaseinspeisungs-Druck;(c) heating a methane-containing reactant gas and introducing the resulting heated reactant gas feed into the reactant side of the reaction zone at a reactant gas feed temperature and a reactant gas feed pressure;
(d) Permeieren von Sauerstoff von der Oxidationsmittel-Seite der Reaktionszone durch die gemischte, leitende Membran zu der Reaktionspartner-Seite, der Reaktionszone und Reagieren des Sauerstoffs mit dem Methan enthaltenden Reaktionspartner-Gas, um wenigstens Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu bilden;(d) permeating oxygen from the oxidant side of the reaction zone through the mixed conducting membrane to the reactant side of the reaction zone and reacting the oxygen with the methane-containing reactant gas to form at least hydrogen and carbon monoxide;
(e) Abziehen des Synthesegas-Produktes mit wenigstens Wasserstoff und Kohlenmonoxid von der Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone bei einer Auslasstemperatur des Produktgases;(e) withdrawing the synthesis gas product comprising at least hydrogen and carbon monoxide from the reactant side of the reaction zone at a product gas outlet temperature;
(f) Aufrechterhalten der Temperatur der Reaktionspartner-Gaseinspeisung bei zwischen 950ºF (510ºC) und 1400ºF (760ºC) und der Auslasstemperatur des Produktgases bei höher als 1500ºF (815ºC),(f) maintaining the reactant gas feed temperature at between 950ºF (510ºC) and 1400ºF (760ºC) and the product gas outlet temperature at greater than 1500ºF (815ºC),
(g) wobei der Gesamtdruck an jedem Punkt auf der Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone größer als der Gesamtdruck an jedem Punkt auf der Oxidationsmittel-Seite der Reaktionszone ist.(g) wherein the total pressure at any point on the reactant side of the reaction zone is greater than the total pressure at any point on the oxidant side of the reaction zone.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Oxidationsmittel- Gaseinspeisungs-Druck zwischen 1 und 45 psig (0,069 bis 3,1 barg). Der Reaktionspartner-Gaseinspeisungs-Druck liegt typischer Weise zwischen 100 und 900 psig (6,9 bis 62 barg), und die Oxidationsmittel-Gaseinsspeisungs-Temperatur kann bis zu 200ºF (111ºC) größer als die Reaktionspartner-Gaseinspeisungs- Temperatur sein.In a preferred embodiment, the oxidant gas feed pressure is between 1 and 45 psig (0.069 to 3.1 barg). The reactant gas feed pressure is typically between 100 and 900 psig (6.9 to 62 barg), and the oxidant gas feed temperature can be up to 200°F (111°C) greater than the reactant gas feed temperature.
Oxidationsmittel-Gas, dem Wasserstoff entzogen wurde, wird von der Oxidationsmittel-Seite der Reaktionszone bei einer Gastemperatur des an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittels abgezogen, die gleich der oder kleiner als die Auslasstemperatur des Produktgases ist, und die Oxidationsmittel-Gaseinspeisungs- Temperatur ist kleiner als die Temperatur des an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittel-Gases. Nach einer bevorzugten Ausführungsform permeiert wenigstens 90% des Sauerstoff in der erwärmten Oxidationsmittel-Gaseinspeisung zu der Oxidationsmittel-Seite der Reaktionszone, die gemischte, leitende Membran. Falls gewünscht, kann auf der Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone ein Katalysator verwendet werden, um die Bildung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu fördern bzw. zu beschleunigen.Oxidant gas dehydrogenated is withdrawn from the oxidant side of the reaction zone at an oxygen-depleted oxidant gas temperature equal to or less than the product gas outlet temperature and the oxidant gas feed temperature is less than the oxygen-depleted oxidant gas temperature. In a preferred embodiment, at least 90% of the oxygen in the heated oxidant gas feed permeates to the oxidant side of the reaction zone, the mixed conducting membrane. If desired, a catalyst can be used on the reactant side of the reaction zone to promote or accelerate the formation of hydrogen and carbon monoxide.
Das Methan enthaltende Reaktionspartner-Gas kann zusätzlich eine oder mehrere Komponenten aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Wasser, Kohlendioxid und Wasserstoff besteht. Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Methan enthaltende Reaktionspartner-Gas Wasser, und das molare Verhältnis Wasser : Kohlenstoff liegt nach einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 0,5 bis 5, wobei das molare Verhältnis Wasser : Kohlenstoff als die Zahl der Wassermoleküle in dem Reaktionspartner-Gas, geteilt durch die Gesamtzahl der Kohlenstoff-Atome definiert wird, die in den Kohlenwasserstoffen und dem Kohlenmonoxid in dem Reaktionspartner-Gas enthalten sind.The methane-containing reactant gas may additionally comprise one or more components selected from the group consisting of water, carbon dioxide and hydrogen. In a preferred embodiment, the methane-containing reactant gas contains water and the water:carbon molar ratio is in a preferred embodiment between 0.5 to 5, wherein the water:carbon molar ratio is defined as the number of water molecules in the reactant gas divided by the total number of carbon atoms contained in the hydrocarbons and carbon monoxide in the reactant gas.
In einer besonderen Ausführungsform des unabhängigen Anspruchs 1 ist die Erfindung ein Verfahren für die Erzeugung von Synthesegas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, mit zusätzlich einem der folgenden Schritte:In a particular embodiment of independent claim 1, the invention is a process for the production of synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide, additionally comprising one of the following steps:
(f) Oxidationsmittel-Gas, dem Sauerstoff entzogen wurde, wird von dem Auslass der Oxidationsmittel-Seite der Reaktionszone abgezogen;(f) withdrawing deoxygenated oxidant gas from the oxidant side outlet of the reaction zone;
(g) wenigstens ein Teil der Wärme für die Erwärmung des Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittelgases im Schritt (b) oder für die Erwärmung des Methan enthaltenden Reaktionspartner-Gases im Schritt (c) oder für die Erwärmung sowohl des Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel- Gases im Schritt (b) und des Methan enthaltenden Reaktionspartner- Gases im Schritt (c) wird durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Oxidationsmittel-Gas von der Reaktionszone zur Verfügung gestellt, dem Sauerstoff entzogen wurde.(g) at least a portion of the heat for heating the oxygen-containing oxidant gas in step (b) or for heating the methane-containing reactant gas in step (c) or for heating both the oxygen-containing oxidant gas in step (b) and the methane-containing reactant gas in step (c) is provided by indirect heat exchange with the deoxygenated oxidant gas from the reaction zone.
Gemäß Anspruch 1 ist die Auslasstemperatur des Produktgases größer als die Reaktionspartner-Gaseinspeisungs-Temperatur. Das Sauerstoff enthaltende Oxidationsmittel-Gas im Schritt (b) kann durch direkte Verbrennung mit einem Brennstoff in einem direkt gezündeten bzw. direkt brennenden Verbrennungsaggregat erwärmt werden, um ein heißes, unter Druck stehendes Verbrennungsprodukt zu erzeugen, das die erwärmte Oxidationsmittel-Gaseinsspeisung zur Verfügung stellt. Das Sauerstoff enthaltende Oxidationsmittel-Gas wird optional durch indirekten Wärmeaustausch mit dem an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittel-Gas von der Reaktionszone erwärmt.According to claim 1, the outlet temperature of the product gas is greater than the reactant gas feed temperature. The oxygen-containing oxidant gas in step (b) may be heated by direct combustion with a fuel in a direct-ignition or direct-burning combustion unit to produce a hot, pressurized combustion product that provides the heated oxidant gas feed. The oxygen-containing oxidant gas is optionally heated by indirect heat exchange with the oxygen-depleted oxidant gas from the reaction zone.
Der Gesamtdruck an jedem Punkt auf der Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone ist größer als der Gesamtdruck an jedem Punkt auf der Oxidationsmittel- Seite der Reaktionszone. Typischer Weise liegt der Druck der Oxidationsmittel- Gaseinspeisung zwischen 1 und 45 psig (0,069 bis 3,1 barg), und der Druck der Reaktionspartner-Gaseinspeisung liegt zwischen 100 und 900 psig (6,9 bis 62 barg).The total pressure at any point on the reactant side of the reaction zone is greater than the total pressure at any point on the oxidant side of the reaction zone. Typically, the oxidant gas feed pressure is between 1 and 45 psig (0.069 to 3.1 barg) and the reactant gas feed pressure is between 100 and 900 psig (6.9 to 62 barg).
Die Reaktionspartner-Gaseinspeisungs-Temperatur sollte zwischen 950ºF (510ºC) und 1400ºF (760ºC) liegen, und die Produkt-Auslasstemperatur beträgt mehr als 1500ºF (815ºC). Die Oxidationsmittel-Gasseinspeisungs-Temperatur kann bis zu 200ºF (111ºC) größer als die Reaktionspartner-Gaseinspeisungs-Temperatur sein, und die Gastemperatur des an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittels kann gleich der oder kleiner als die Produktgas-Auslasstemperatur sein. Die Oxidationsmittel- Gaseinspeisungs-Temperatur ist typischer Weise kleiner als die Gastemperatur des an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittel-Gases, und nach einer bevorzugten Ausführungsform permeiert ungefähr 90% des Sauerstoffs in dem Sauerstoff enthaltenden Oxidationsmittel-Gas die sauerstoff-permeable Membran. Ein Katalysator kann auf der Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone verwendet werden, um die Bildung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu begünstigen bzw. zu beschleunigen. Das Synthesegas-Produkt, das von der Reaktionsseite der Reaktionszone abgezogen wird, kann auf eine Temperatur unter 800ºF (427ºC) gekühlt werden.The reactant gas feed temperature should be between 950ºF (510ºC) and 1400ºF (760ºC) and the product outlet temperature is greater than 1500ºF (815ºC). The oxidant gas feed temperature can be up to 200ºF (111ºC) greater than the reactant gas feed temperature, and the oxygen-depleted oxidant gas temperature can be equal to or less than the product gas outlet temperature. The oxidant gas feed temperature is typically less than the oxygen-depleted oxidant gas temperature, and in a preferred embodiment approximately 90% of the oxygen in the oxygen-containing oxidant gas permeates the oxygen-permeable membrane. A catalyst may be used on the reactant side of the reaction zone to promote or accelerate the formation of hydrogen and carbon monoxide. The synthesis gas product withdrawn from the reactant side of the reaction zone may be cooled to a temperature below 800ºF (427ºC).
Das Methan enthaltende Reaktionspartner-Gas kann eine oder mehrere Komponenten aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Wasser, Kohlendioxid und Wasserstoff besteht. Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Methan enthaltende Reaktionspartner-Gas Wasser, und das molare Verhältnis Wasser : Kohlenstoff liegt zwischen 0,5 und 5, wobei das molare Verhältnis Wasser : Kohlenstoff als die Zahl der Wassermoleküle in dem Reaktionspartner- Gas durch die Gesamtzahl der Kohlenstoff-Atome definiert wird, die in den Kohlenwasserstoffen und dem Kohlenmonoxid in dem Reaktionspartner-Gas vorhanden sind.The methane-containing reactant gas may comprise one or more components selected from the group consisting of water, carbon dioxide and hydrogen. In a preferred embodiment, the methane-containing reactant gas comprises water and the water:carbon molar ratio is between 0.5 and 5, wherein the water:carbon molar ratio is defined as the number of water molecules in the reactant gas divided by the total number of carbon atoms present in the hydrocarbons and carbon monoxide in the reactant gas.
Falls gewünscht, wird das Synthesegas-Produkt, das aus dem Auslass der Oxidationsmitttel-Seite der Reaktionszone abgezogen wird, durch direkten Kontakt mit flüssigem Wasser abgeschreckt bzw. abgekühlt, um die Gasprodukt-Temperatur unter den Taupunkt des sich ergebenden Gasgemisches zu reduzieren, und ein Heißwasserstrom wird aus den unkondensierten Synthesegas-Komponenten abgetrennt. Das Methan enthaltende Reaktionspartner-Gas kann erhalten werden, indem eine Methan enthaltende Gaseinspeisung mit diesem Heißwasserstrom oder irgendeinem anderen erwärmten Wasserstoff in Kontakt gebracht wird, wodurch Wasser in das Methan enthaltende Reaktionspartner-Gas eingeführt wird.If desired, the syngas product withdrawn from the outlet of the oxidant side of the reaction zone is quenched by direct contact with liquid water to reduce the gas product temperature below the dew point of the resulting gas mixture, and a hot water stream is separated from the uncondensed syngas components. The methane-containing reactant gas can be obtained by contacting a methane-containing gas feed with this hot water stream or some other heated hydrogen, thereby introducing water into the methane-containing reactant gas.
Das Synthesegas-Produkt enthält typischer Weise Kohlendioxid, und das Synthesegas-Produkt kann abgekühlt, entwässert und wenigstens ein Teil des Kohlenmonoxid daraus abgezogen werden. Wenigstens ein Teil des sich ergebenden, abgezogenen Kohlendioxids kann vorher in das Methan enthaltende Reaktionspartner-Gas zu der Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone eingefügt werden.The synthesis gas product typically contains carbon dioxide, and the synthesis gas product can be cooled, dehydrated and at least a portion of the carbon monoxide removed therefrom. At least a portion of the resulting removed carbon dioxide can be pre-incorporated into the methane-containing reactant gas on the reactant side of the reaction zone.
Wenigstens ein Teil des Synthesegas-Produktes wird optional abgetrennt, um einen mit Wasserstoff angereicherten Gasstrom und einen Abgasstrom zu ergeben, und wenigstens ein Teil des mit Wasserstoff angereicherten Gasstroms wird in das Methan enthaltende Reaktionspartner-Gas vorher zu der Reaktionspartner- Seite der Reaktionszone eingeführt. Das Sauerstoff enthaltende Reaktionsmittel- Gas kann wenigstens teilweise vor der Reaktionszone durch direkte Verbrennung mit wenigstens einem Teil des Abgasstromes als Brennstoff in einem direkt gezündeten bzw. direkt brennenden Verbrennungsaggregat erwärmt werden, um ein heißes, unter Druck stehendes Verbrennungsprodukt zu erzeugen, das die erwärmte Oxidationsmittel-Gaseinspeisung zur Verfügung stellt.At least a portion of the synthesis gas product is optionally separated to yield a hydrogen-enriched gas stream and an offgas stream, and at least a portion of the hydrogen-enriched gas stream is introduced into the methane-containing reactant gas prior to the reactant side of the reaction zone. The oxygen-containing reactant gas may be heated at least partially prior to the reaction zone by direct combustion with at least a portion of the offgas stream as fuel in a direct-ignition combustion unit to produce a hot, pressurized combustion product that provides the heated oxidant gas feed.
Fig. 1 ist ein Verfahrens-Flussdiagramm des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.Fig. 1 is a process flow diagram of the process according to the present invention.
Fig. 2 ist eine qualitative Kurvendarstellung der normalisierten Reaktionspartner-Volumen- bzw. -Massen-Gastemperatur über der kumulativen Membranfläche oder der Sauerstoffmenge, die für einen gemischten, leitenden Membran-Reaktor permeiert ist.Fig. 2 is a qualitative plot of normalized reactant volume or mass gas temperature versus cumulative membrane area or amount of oxygen permeated for a mixed conducting membrane reactor.
Fig. 3 ist ein Verfahrens-Flussdiagramm einer spezifischen Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.Figure 3 is a process flow diagram of a specific embodiment of the process of the present invention.
Fig. 4 ist ein Verfahrens-Flussdiagramm einer weiteren, spezifischen Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.Fig. 4 is a process flow diagram of another specific embodiment of the process according to the present invention.
Fig. 5 ist eine Kurvendarstellung der Methan-Umwandlung, des Verhältnisses Wasserstoff/Kohlenmonoxid, der Sauerstoff-Mole, die pro Mol (Wasserstoff+CO) permeiert sind, und der Kohlendioxid-Mole, die pro Mol (Wasserstoff+CO) erzeugt werden, über der Reaktor-Auslasstemperatur von Beispiel 2.Figure 5 is a graph of methane conversion, hydrogen/carbon monoxide ratio, oxygen moles permeated per mole (hydrogen+CO), and carbon dioxide moles produced per mole (hydrogen+CO) versus reactor outlet temperature of Example 2.
Fig. 6 Ist eine Kurvendarstellung der Methan-Umwandlung, des Verhältnisses Wasserstoff/CO, der Sauerstoff-Mole, die pro Mol (Wasserstoff+CO) permeiert sind, der Kohlendioxid-Mole, die pro Mol (Wasserstoff+CO) erzeugt werden, und der Kohlendioxid-Mole, die pro Mol (Wasserstoff+CO) recycelt werden, über der Reaktor- Auslasstemperatur für Beispiel 3.Fig. 6 is a plot of methane conversion, hydrogen/CO ratio, oxygen moles permeated per mole (hydrogen+CO), carbon dioxide moles produced per mole (hydrogen+CO), and carbon dioxide moles recycled per mole (hydrogen+CO) versus reactor outlet temperature for Example 3.
Die vorliegende Erfindung definiert Verfahren und Prozesse für den Betrieb eines gemischten, leitenden Membran-Reaktor-Moduls für die Erzeugung von Synthesegas durch die kontrollierte Reaktion von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff, wobei Sauerstoff in situ durch Permeation von einem Sauerstoff enthaltenden Gas durch die gemischte, leitende Membran zur Verfügung gestellt wird. Der Reaktor- Modul ist mit Verfahrensschritten für die Zuführung von Reaktionspartnern (bei einer Ausführungsform, Luft und Erdgas) und Verfahrensschritten für die Entnahme und die weitere Behandlung der Abströme des Reaktors (bei einer Ausführungsform, Synthesegas und sauerstoff-verarmte Luft) integriert. Bevorzugte Betriebsbedingungen sind für die Einspeisungsgas- und Produktgas-Temperaturen sowie für die Druckdifferenz über der Membran in dem Reaktor-Modul definiert.The present invention defines methods and processes for operating a mixed conducting membrane reactor module for producing syngas by the controlled reaction of hydrocarbons with oxygen, wherein oxygen is provided in situ by permeation of an oxygen-containing gas through the mixed conducting membrane. The reactor module is integrated with process steps for supplying reactants (in one embodiment, air and natural gas) and process steps for removing and further treating reactor effluents (in one embodiment, syngas and oxygen-depleted air). Preferred operating conditions are defined for the feed gas and product gas temperatures as well as for the pressure differential across the membrane in the reactor module.
Die Erfindung legt wichtige Betriebsbedingungen fest, die auf dem Stand der Technik für gemischte, leitende Hochtemperatur-Membran-Reaktoren bisher nicht angesprochen oder berücksichtigt worden sind.The invention defines important operating conditions that have not previously been addressed or taken into account in the state of the art for mixed conducting high temperature membrane reactors.
Eine allgemeine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas 1, nach einer bevorzugten Ausführungsform Luft, wird in einem Kompressor 3 auf einen Druck im Bereich von 1 bis 45 psig (0,069 bis 3,1 barg), bevorzugt weniger als 10 psig (0,69 barg) gebracht. Obwohl Luft das bevorzugte, Sauerstoff enthaltende Gas ist, können als Sauerstoff-Quelle für den Prozess auch andere, Sauerstoff enthaltende Gase eingesetzt werden. Das unter Druck gesetzte, Sauerstoff enthaltende Gas 5 wird in dem Wärmetauscher 7 in einer Wärmeübertragungszone 9 vorgewärmt, und das vorgewärmte, Sauerstoff enthaltende Gas 11 wird weiter durch direkte Verbrennung mit Luft 14 in einem Brenner 15 erwärmt, um erwärmtes Oxidationsmittel 17 zu ergeben, das typischer Weise 15-20 Vol.-% Sauerstoff bei einer Temperatur über 932ºF (500ºC) und nach einer bevorzugten Ausführungsform innerhalb von ±200ºF (111ºC) der Reaktionspartner-Einspeisungs-Temperatur enthält. Der Brenner 15 stellt jeden Typ einer bekannten, kommerziell erhältlichen Verbrennungsvorrichtung für die Durchführung einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung des Brennstoffs 14 in einer Sauerstoffüberschuss-Umgebung dar.A general embodiment of the invention is shown in Fig. 1. An oxygen-containing gas 1, in a preferred embodiment air, is pressurized in a compressor 3 to a pressure in the range of 1 to 45 psig (0.069 to 3.1 barg), preferably less than 10 psig (0.69 barg). Although air is the preferred oxygen-containing gas, other oxygen-containing gases may be used as the oxygen source for the process. The pressurized oxygen-containing gas 5 is preheated in the heat exchanger 7 in a heat transfer zone 9, and the preheated oxygen-containing gas 11 is further heated by direct combustion with air 14 in a burner 15 to yield heated oxidant 17 typically containing 15-20 volume percent oxygen at a temperature above 932°F (500°C) and in a preferred embodiment within ±200°F (111°C) of the reactant feed temperature. The burner 15 represents any type of known commercially available combustion device for effecting substantially complete combustion of the fuel 14 in an oxygen-excess environment.
Der Begriff "Sauerstoff" wird hier verwendet, um allgemein jede Art von Sauerstoff (0, = , Atomzahl 8), der in den Gasströmen und den beschriebenen Reaktorsystemen vorhanden ist. Der Gattungsbegriff Sauerstoff enthält auch die molekulare Form aus zwei Sauerstoff-Atomen (O&sub2;), Sauerstoff-Ionen (beispielsweise O&supmin; oder O= ), atomaren Sauerstoff (0·), oder andere Formen von Sauerstoff, die aus dem molekularen, zwelatomigen Sauerstoff in den Gasströmen und beschriebenen Systemen abgeleitet sind. Der Begriff Sauerstoff, wie er hier verwendet wird, enthält nicht Sauerstoff, der chemisch in Kohlenstoffoxiden, Stickoxiden oder anderen, Sauerstoff enthaltenden Verbindungen chemisch gebunden ist.The term "oxygen" is used here to refer generally to any form of oxygen (O, = , atomic number 8) present in the gas streams and the reactor systems described. The generic term oxygen also includes the molecular form of two oxygen atoms (O₂), oxygen ions (e.g. O⁻ or O= ), atomic oxygen (O·), or other forms of oxygen derived from the molecular diatomic oxygen in the gas streams and the systems described. The term oxygen as used here does not include oxygen chemically bound in carbon oxides, nitrogen oxides, or other oxygen-containing compounds.
Der gasförmige, Methan enthaltende Kohlenwasserstoff-Strom 19 wird bei einem Druck von 100-900 psig (6,9-62,1 barg), nach einer bevorzugten Ausführungsform von 200-400 psig (13,8-27,6 barg) erhalten, optional durch Kompression oder Druckverringerung (nicht dargestellt) eines Quellengases. Der Methan enthaltende Strom 19 kann ein Methan enthaltendes Gas von einer Erdöl-Raffinerie, einer petrochemischen Anlage oder einer anderen industriellen Quelle sein, oder es kann ein Erdgas sein, das aus einer Pipeline oder direkt aus dem Bohrloch nach geeigneter Vorbehandlung erhalten wird. Der Methan enthaltende Strom 19 kann ein Erdgas mit einer typischen Zusammensetzung im Bereich von wenigstens 80 Vol.-% Methan, weniger als 20 Vol.-% Ethan, weniger als 10 Vol.-% Propan, weniger als 5 Vol.-% Alkane mit mehr als 3 Kohlenstoff-Atomen, weniger als 10 Vol.-% Kohlendioxid, weniger als 10 Vol.-% Stickstoff und weniger als 100 ppmv Gesamtschwefel sein.The gaseous methane-containing hydrocarbon stream 19 is maintained at a pressure of 100-900 psig (6.9-62.1 barg), in a preferred embodiment 200-400 psig (13.8-27.6 barg), optionally by compression or depressurization (not shown) of a source gas. The methane-containing stream 19 may be a methane-containing gas from a petroleum refinery, petrochemical plant or other industrial source, or it may be a natural gas obtained from a pipeline or directly from the well after suitable pretreatment. The methane-containing stream 19 may be a natural gas having a typical composition in the range of at least 80 vol.% methane, less than 20 vol.% ethane, less than 10 vol.% propane, less than 5 vol.% alkanes having more than 3 carbon atoms, less than 10 vol.% carbon dioxide, less than 10 vol.% nitrogen and less than 100 ppmv total sulfur.
Der Methan enthaltende Strom 19 wird optional mit einem Wasserstoffstrom 21 kombiniert und optional in einem Wärmetauscher 23 in einer Wärmeübertragungszone 9 auf eine Temperatur bis zu 800ºF (427ºC) erwärmt. Der sich ergebende, erwärmte Strom wird optional durch eine Entschwefelungs/Hydrierungs- Aktionszone 25 geführt, die einen Hydrierungs-Katalysator enthält, der typischer Weise Kobalt und Molybdän oder Nickel und Molybdän aufweist. In der Reaktionszone 25 werden olefinische Kohlenwasserstoffe zu Paraffinen und organische Schwefelverbindungen zu Wasserstoffsulfid umgewandelt, das auf einer Zinkoxidschicht in dem Reaktor sorbiert wird. Typischer Weise wird ein Reaktor-Behälter, der den Hydrierungs-Katalysator enthält, in Reihe mit zwei Reaktoren betrieben, die mit Zinkoxid gefüllt sind und parallel (nicht dargestellt) betrieben werden, wobei einer online ist und der andere regeneriert wird. Dieses Verfahren zur Entfernung von Olefinen und Schwefelkomponenten ist eine wohl bekannt Praxis bei der Dampf-Methan-Reformierung von Erdgas, um die Koksbildung (durch Olefin- Kracken) und die Katalysator-Vergiftung in dem Reformierungs-Reaktor zu verhindern.The methane-containing stream 19 is optionally combined with a hydrogen stream 21 and optionally heated in a heat exchanger 23 in a heat transfer zone 9 to a temperature up to 800°F (427°C). The resulting heated stream is optionally passed through a desulfurization/hydrogenation reaction zone 25 containing a hydrogenation catalyst typically comprising cobalt and molybdenum or nickel and molybdenum. In the reaction zone 25, olefinic hydrocarbons are converted to paraffins and organic sulfur compounds are converted to hydrogen sulfide which is sorbed onto a zinc oxide layer in the reactor. Typically, a reactor vessel containing the hydrogenation catalyst is operated in series with two reactors filled with zinc oxide and operated in parallel (not shown), with one online and the other being regenerated. This method of removing olefins and sulfur components is a well-known practice in steam methane reforming of natural gas to prevent coke formation (from olefin cracking) and catalyst poisoning in the reforming reactor.
Das behandelte, Methan enthaltende Gas 27 (welches auch einen Rest- Wasserstoff enthalten kann) wird optional mit Dampf 29 und/oder Kohlendioxid 31 kombiniert, und der kombinierte Strom wird auf 950 bis 1400ºF (510 bis 760ºC) in dem Wärmetauscher 33 in der Wärmeübertragungszone 9 erwärmt, um den erwärmten Reaktionspartner 35 zu ergeben. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird Dampf verwendet, und das molare Verhältnis Wasser : Kohlenstoff liegt zwischen ungefähr 0,5 bis ungefähr 5, wobei das molare Verhältnis Wasser : Kohlenstoff als die Zahl der Wassermoleküle in dem erwärmten Reaktionspartner 35, geteilt durch die Gesamtzahl der Kohlenstoff-Atome definiert wird, die in den Kohlenwasserstoffen und dem Kohlenmonoxid in dem erwärmten Reaktionspartner 35 enthalten sind.The treated methane-containing gas 27 (which may also contain residual hydrogen) is optionally combined with steam 29 and/or carbon dioxide 31 and the combined stream is heated to 950 to 1400°F (510 to 760°C) in the heat exchanger 33 in the heat transfer zone 9 to yield the heated reactant 35. In a preferred embodiment, steam is used and the water:carbon molar ratio is between about 0.5 to about 5, wherein the water:carbon molar ratio is defined as the number of water molecules in the heated reactant 35 divided by the total number of carbon atoms contained in the hydrocarbons and carbon monoxide in the heated reactant 35.
Das erwärmte Oxidationsmittel 17 und der erwärmte Reaktionspartner 35 werden in die gemischte, leitende Membran-Reaktionszone 37 eingeführt. Das Gas am Oxidationsmittel-Einlass 39 ist auf einer Temperatur von wenigstens 932ºF (500ºC) und bevorzugt wenigstens ±200ºF (111ºC) der Temperatur des erwärmten Reaktionspartner-Gases an dem Reaktionspartner-Einlass 41. Die Gastemperatur an dem Reaktionspartner-Einlass 41 liegt im Bereich von ungefähr 950 bis 1400ºF (510 bis 760ºC).The heated oxidant 17 and the heated reactant 35 are introduced into the mixed conducting membrane reaction zone 37. The gas at the oxidant inlet 39 is at a temperature of at least 932°F (500°C) and preferably at least ±200°F (111°C) of the temperature of the heated reactant gas at the reactant inlet 41. The gas temperature at the reactant inlet 41 is in the range of about 950 to 1400°F (510 to 760°C).
Die gemischte, leitende Memran-Reaktionszone 37 ist schematisch mit einer Oxidationsmittel-Seite 43, die von der Reaktionspartner-Seite 45 durch die gemischte, leitende Membran 47 getrennt ist, gezeigt und wird in dem vereinfachten Format für die folgende Beschreibung des Reaktorbetriebes dargestellt. Die Oxidationsmittel-Seite 43 stellt ein Reaktorvolumen dar, durch das Oxidationsmittel-Gas strömt und ist mit der Oberfläche auf der Oxidationsmittel-Seite der gemischten, leitenden Membran 47 in Kontakt. An dieser Oberfläche wird zweiatomiger Sauerstoff ionisiert, um Sauerstoff-Ionen zu bilden, und die Sauerstoff-Ionen permeieren durch die gemischte, leitende Membran 47 zu der Oberfläche der Reaktionspartner-Seite der Membran.The mixed conducting membrane reaction zone 37 is shown schematically with an oxidant side 43 separated from the reactant side 45 by the mixed conducting membrane 47 and is presented in simplified format for the following description of reactor operation. The oxidant side 43 represents a reactor volume through which oxidant gas flows and is in contact with the oxidant side surface of the mixed conducting membrane 47. At this surface, diatomic oxygen is ionized to form oxygen ions and the oxygen ions permeate through the mixed conducting membrane 47 to the reactant side surface of the membrane.
Der Begriff "gemischte leitende Membran", wie er hier definiert wird, definiert ein festes Material oder eine Mischung von festen Materialien, die gleichzeitig sowohl Sauerstoff-Ionen als auch elektronische Spezies (z. B. Elektronen) leiten. Die gemischte leitende Membran kann jedes feste Material oder Materialien, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, aufweisen, die diese gleichzeitigen Funktionen durchführen. Diese Materialien werden beispielsweise in dem bereits oben zitierten US-Patent Nr. 5 306 411 und in einem Artikel mit dem Titel "Electropox Gas Reforming" von T. J. Mazanec in Electrochem. Soc. Proceedings 95-24, 16 (1997) beschrieben.The term "mixed conducting membrane" as defined herein defines a solid material or mixture of solid materials that simultaneously conducts both oxygen ions and electronic species (e.g., electrons). The mixed conducting membrane may comprise any solid material or materials known in the art that perform these simultaneous functions. These materials are described, for example, in U.S. Patent No. 5,306,411 cited above and in an article entitled "Electropox Gas Reforming" by T. J. Mazanec in Electrochem. Soc. Proceedings 95-24, 16 (1997).
Als Alternative hierzu kann die gemischte, leitende Membran ein Gemisch von einem oder mehreren ionen-leitenden festen Materialien und einem Material oder mehreren festen Materialien sein, die elektronische Spezies (wie beispielsweise Elektronen) leiten, wobei das Gemisch aus den festen Materialien eine gemischte, leitende Verbund-Membran bilden. Ein Beispiel einer gemischten, leitenden Verbundmembran verwendet Zirkoniumoxid als das Sauerstoff-Ionen leitende feste Material und Palladium als den Leiter für elektronische Spezies. Ein weiteres Beispiel einer gemischten, leitenden Verbundmembran verwendet Zirkoniumoxid als das Sauerstoff-Ionen leitende feste Material und ein Gemisch aus Indium und Praseodym-Oxiden als den Leiter für die elektronischen Spezies.Alternatively, the mixed conducting membrane may be a mixture of one or more ion-conducting solid materials and one or more solid materials that conduct electronic species (such as electrons), the mixture of the solid materials forming a mixed conducting composite membrane. One example of a mixed conducting composite membrane uses zirconium oxide as the oxygen ion-conducting solid material and palladium as the conductor for electronic species. Another example of a mixed conducting composite membrane uses zirconium oxide as the oxygen ion-conducting solid material and a mixture of indium and praseodymium oxides as the conductor for the electronic species.
Das aktive, gemischte, leitende Membranmaterial in der gemischten, leitenden Membran 47 kann eine dünne Schicht auf einem planaren oder rohrförmigen, porösen Träger sein, wie es auf diesem Gebiet bekannt ist. Der Träger kann aus einem inerten Material hergestellt werden, der bei den Betriebsbedingungen des Prozesses Sauerstoff-Ionen und/oder elektronische Spezies nicht leitet. Als Alternative hierzu kann der Träger ein ionisch leitendes Material sein, ein elektronische Spezies leitendes Material oder ein gemischtes, leitendes Oxidmaterial der gleichen oder einer anderen Zusammensetzung wie die aktive Schicht des gemischten, leitenden Membran-Materials. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird der poröse Träger aus einem Material mit Wärmeausdehnungseigenschaften hergestellt, die mit dem gemischten, leitenden Membran-Material kompatibel sind, und die Verbindungen, die die jeweiligen Schichten bilden, sollten aus Materialien ausgewählt werden, die nicht nachteiligerweise chemisch miteinander unter den Betriebsbedingungen des Prozesses reagieren.The active mixed conductive membrane material in the mixed conductive membrane 47 may be a thin layer on a planar or tubular porous support, as is known in the art. The support may be made of an inert material that does not conduct oxygen ions and/or electronic species under the operating conditions of the process. Alternatively, the support may be an ionically conductive material, an electronic species conductive material, or a mixed conductive oxide material of the same or different composition as the active layer of the mixed conductive membrane material. In a preferred embodiment, the porous support is made of a material having thermal expansion properties compatible with the mixed conductive membrane material, and the compounds forming the respective layers should be selected from materials that do not adversely chemically react with one another under the operating conditions of the process.
Die Oberfläche der gemischten, leitenden Membran 47 auf der oxidierenden Seite 43 kann optional mit einem katalytischen Material beschichtet werden, um den Übergang des Sauerstoffs in die Membran zu beschleunigen bzw. zu begünstigen. Diese Materialien sind aus dem Stand der Technik bekannt; zu ihnen gehören Metalle und Metalloxide, die aus den Gruppen 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 15 und den F-Block-Lanthaniden der periodischen Tabelle der Elemente gemäß der International Union of Pure and Applied Chemistry ausgewählt werden.The surface of the mixed conductive membrane 47 on the oxidizing side 43 can optionally be coated with a catalytic material to accelerate or promote the transfer of oxygen into the membrane. These materials are known in the art and include metals and metal oxides selected from groups 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 15 and the F-block lanthanides of the Periodic Table of the Elements according to the International Union of Pure and Applied Chemistry.
Zu den geeigneten Metallen gehören Platin, Palladium, Ruthenium, Gold, Silber, Wismuth, Barium, Vanadium, Molybdän, Zer, Praseodym, Kobalt, Rhodium und Mangan.Suitable metals include platinum, palladium, ruthenium, gold, silver, bismuth, barium, vanadium, molybdenum, cerium, praseodymium, cobalt, rhodium and manganese.
Die Reaktionspartner-Seite 45 stellt ein Reaktorvolumen dar, durch das das Reaktionspartner-Gas strömt und mit Sauerstoff reagiert, der durch die gemischte, leitende Membran 47 permeiert ist. Auf der Reaktionspartner-Seite 45 treten eine Reihe von chemischen Reaktionen unter der verschiedenen vorhandenen chemischen Komponenten auf einschließlich Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und möglicher Weise elementarer Kohlenstoff. Die primären Reaktionen sind im folgenden dargestellt.The reactant side 45 represents a reactor volume through which the reactant gas flows and reacts with oxygen permeated through the mixed conducting membrane 47. On the reactant side 45, a series of chemical reactions occur among the various chemical components present including oxygen, hydrogen, water, carbon monoxide, carbon dioxide, methane and possibly elemental carbon. The primary reactions are shown below.
CH&sub4; + ¹/&sub2; O&sub2; 2H&sub2; + CO (1)CH&sub4; + ¹/&sub2;O&sub2; 2H2 + CO (1)
CH&sub4; + 3/2 O&sub2; 2H&sub2;O + CO (2)CH&sub4; + 3/2 O&sub2; 2H2O + CO (2)
CH&sub4; + 2O&sub2; 2H&sub2;O + CO&sub2; (3)CH&sub4; + 2O2 2H2 O + CO2 (3)
CH&sub4;+ H&sub2;O 3H&sub2;+ CO (4)CH4 + H2 O 3H2 + CO (4)
CH&sub4; + CO&sub2; 2H&sub2; + 2 CO (5)CH&sub4; + CO2 2H2 + 2 CO (5)
CO + H&sub2;O H&sub2; + CO&sub2; (6)CO + H2 O H2 + CO2 (6)
H&sub2; + CO C + H&sub2;O (7)H&sub2; + CO C + H2 O (7)
2CO CO&sub2; (8)2CO CO₂ (8)
CnHm nC + m/2 H&sub2; (9)CnHm nC + m/2 H₂ (9)
Reaktionen, die ähnlich zu den obigen Reaktionen (1) bis (5) sind, treten mit schwereren Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Ethan und Propan auf, falls vorhanden.Reactions similar to reactions (1) to (5) above occur with heavier hydrocarbons such as ethane and propane, if present.
Diese Reaktionen sind ähnlich zu den bekannten Reaktionen, die bei der herkömmlichen, partiellen Oxidation von Methan zu Produkt-Synthesegas auftreten. Die Oxidations-Reaktionen (1), (2) und (3) verbrauchen gemäß der obigen Darstellung zwelatomigen, molekularen Sauerstoff, der auf der Reaktionspartner-Seite 45 der Membran-Reaktionszone 37 auftreten kann. Zusätzlich können andere Formen von Sauerstoff, wie sie oben beschrieben wurden, mit Methan (und anderen Kohlenwasserstoffen) reagieren, um Kohlenstoffoxide zu bilden. Die exakten Reaktions-Mechanismen zwischen dem permeierten Sauerstoff und den Kohlenwasserstoffen auf der Reaktionspartner-Seite 45 sind noch nicht vollständig verstanden, es werden jedoch Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Reaktionsprodukte gebildet. Die Reaktionen (1), (2), (3) und (6) sind exotherme Reaktionen, während die Reaktionen (4) und (5) endotherme Reaktionen sind; die exathermen Reaktionen (2) und (3) sind kinetisch sehr schnell, benötigen irgend eine Form von Sauerstoff und können ohne irgendeinen Katalysator auftreten; im Gegensatz hierzu sind die endothermen Reaktionen 4 und 5 langsamer und nutzen den Reformierungs-Katalysator. Wenn der lokale Sauerstoff-Fluss zu hoch ist, und die endothermen Reaktionen kinetisch nicht mit den exothermen Reaktionen mithalten können, wird sich der Bereich zu stark erwärmen. Der lokale Sauerstoff-Fluss und das zugehörige Volumen und die Aktivität des Katalysators müssen aneinander angepasst werden, damit die endothermen Reaktionen zu einem Ausmaß ablaufen können, das ausreichend ist, um eine Übererwärmung des Bereiches zu verhindern. Der Katalysator muss sich in der Nähe der Ionentransport-Membran auf der Reaktionspartner-Seite befinden, um den Wärme- und Stoffübergangs- Widerstand minimal zu halten.These reactions are similar to the known reactions that occur in the conventional partial oxidation of methane to product synthesis gas. The oxidation reactions (1), (2) and (3) as shown above consume diatomic molecular oxygen that can occur on the reactant side 45 of the membrane reaction zone 37. In addition, other forms of oxygen as described above can react with methane (and other hydrocarbons) to form carbon oxides. The exact reaction mechanisms between the permeated oxygen and the hydrocarbons on the reactant side 45 are not yet fully understood, but carbon monoxide and carbon dioxide are formed as reaction products. Reactions (1), (2), (3) and (6) are exothermic reactions, while reactions (4) and (5) are endothermic reactions; the exothermic reactions (2) and (3) are kinetically very fast, require some form of oxygen, and can occur without any catalyst; in contrast, the endothermic reactions 4 and 5 are slower and use the reforming catalyst. If the local oxygen flux is too high and the endothermic reactions cannot kinetically keep up with the exothermic reactions, the region will heat up too much. The local oxygen flux and the associated volume and activity of the catalyst must be matched to allow the endothermic reactions to occur to a level sufficient to prevent overheating of the region. The catalyst must be located close to the ion transport membrane on the reactant side to minimize heat and mass transfer resistance.
Wenn die Membran-Reaktorzone 37 so ausgelegt wird, dass sich in jedem Bereich auf der Reaktionspartner-Seite 45 die Membran-Reaktorzone 37 das Reaktionspartner-Gas im Wesentlichen im chemischen Gleichgewicht befindet, folgt die Massen-Gastemperatur auf der Reaktionspartner-Seite qualitativ einem Profil, wie es in Fig. 2 dargestellt ist; die eine repräsentative Kurvendarstellung der normalisierten, lokalen Reaktionspartner-Gas-Massen-Temperatur über der kumulativen Membranfläche oder alternativ der kumulativen Menge des permeierten Sauerstoffs ist. Mit Ausnahme einer möglichen, anfänglichen Abnahme steigt die Massen- bzw. Volumen-Gas-Temperatur glatt und monoton. Der Grund für die mögliche anfängliche Verringerung liegt darin, dass die Reaktionen (4) und (5) sogar bei Fehlen eines Sauerstoff-Flusses ablaufen können, wenn Dampf oder Kohlendioxid in der Einspeisung vorhanden ist, und die Einspeisung weit von ihrem chemischen Gleichgewicht entfernt ist.If the membrane reactor zone 37 is designed such that in any region on the reactant side 45 of the membrane reactor zone 37 the reactant gas is essentially in chemical equilibrium, the bulk gas temperature on the reactant side qualitatively follows a profile as shown in Fig. 2, which is a representative plot of the normalized local reactant gas bulk temperature versus the cumulative membrane area or alternatively the cumulative amount of permeated oxygen. Except for a possible initial decrease, the bulk gas temperature increases smoothly and monotonically. The reason for the possible The reason for this initial reduction is that reactions (4) and (5) can proceed even in the absence of oxygen flow if steam or carbon dioxide is present in the feed and the feed is far from its chemical equilibrium.
Wenn eine ausreichende Membranfläche für die Sauerstoff-Permeation zur Verfügung gestellt wird, kann die Reaktionspartner-Massen-Gas-Temperatur glatt in Beziehung auf die kumulative Membranfläche ansteigen, theoretisch bis zu irgend einer Temperatur bis hinauf zu der adiabatischen Flammentemperatur der gesamten Reaktor-Einspeisung, wenn sie nicht durch Wärmelecks von dem Membran-Reaktor beeinflusst wird. Solche potentiellen Wärmelecks sollten durch geeignete Isolierung und Reaktorkonstruktion minimal gehalten werden. Die Auslasstemperatur des Reaktors sollte wesentlich niedriger als die adiabatische Flammentemperatur gehalten werden, da bei dieser Temperatur das Produktgas nur Kohlendioxid und Wasser enthalten wird, weil der gesamte Wasserstoff und das gesamte CO durch die Verbrennung verbraucht worden sind.If sufficient membrane area is provided for oxygen permeation, the reactant bulk gas temperature can rise smoothly in relation to the cumulative membrane area, theoretically to any temperature up to the adiabatic flame temperature of the total reactor feed, if not affected by heat leaks from the membrane reactor. Such potential heat leaks should be minimized by appropriate insulation and reactor design. The reactor outlet temperature should be kept substantially lower than the adiabatic flame temperature, since at this temperature the product gas will contain only carbon dioxide and water because all the hydrogen and CO have been consumed by combustion.
Materielle bzw. materialmäßige Beschränkungen sowohl des Reaktors als auch der Aggregate, die sich in Strömungsrichtung gesehen dahinter befinden, werden ebenfalls die Reaktor-Auslasstemperatur begrenzen. Wenn die Reaktortemperatur zur gering ist (weniger als ungefähr 1500ºF), würde die Umwandlung von Methan zu gering sein, und der Anteil des Kohlendioxids relativ zu dem Kohlenmonoxid würde hoch werden. Fig. 5 stellt diese Konzepte für eine Einspeisung mit einem Dampf : Kohlenstoff-Verhältnis von 1,6 bei 250 psig dar, wie es in dem folgenden Beispiel 2 beschrieben wird. Das Kohlendioxid, das pro Mol Synthesegas erzeugt wird, durchläuft ein Minimum - bei niedrigen Auslasstemperaturen begünstigt die katalytische Kohlenoxid-Konvergierung die Existenz von Kohlendioxid, während bei hohen Auslasstemperaturen die Kohlenmonoxid-Verbrennungsreaktion die Erzeugung von Kohlendioxid begünstigt. Zusätzlich fällt die Membran- Umwandlung bei niedrigen Temperaturen scharf ab.Material limitations of both the reactor and the equipment downstream will also limit the reactor outlet temperature. If the reactor temperature is too low (less than about 1500ºF), the conversion of methane would be too low and the proportion of carbon dioxide relative to carbon monoxide would become high. Figure 5 illustrates these concepts for a feed with a steam:carbon ratio of 1.6 at 250 psig as described in Example 2 below. The carbon dioxide produced per mole of syngas goes through a minimum - at low outlet temperatures, catalytic carbon oxide convergence favors the existence of carbon dioxide, while at high outlet temperatures, the carbon monoxide combustion reaction favors the production of carbon dioxide. In addition, membrane conversion drops off sharply at low temperatures.
Methan und überschüssiges Kohlendioxid sind im allgemeinen in dem Produktgas unerwünscht, da diese Komponenten den Partialdruck der gewünschten Komponenten Wasserstoff und Kohlenmonoxid verringern, die Anforderungen an die Kompression des Synthesegases erhöhen, die Reinigungs- bzw. Spülungsanforderungen des in Strömungsrichtung anschließenden Synthesegas-Verbrauchsprozesses erhöhen und die Erzeugung von überschüssigem Brennstoff bewirken. Die Erzeugung von überschüssigem Kohlendioxid stellt ebenfalls einen nachteiligen Verbrauch von Sauerstoff dar, wodurch eine erhöhte Kapazität für die Speiseluft-Gebläse und erhöhte Reaktorgröße benötigt werden, falls nicht das Kohlendioxid zur Extinktion recycelt wird. Wenn Kohlendioxid aus dem Synthesegas- Produkt entfernt wird, wird die Größe des Kohlendioxid-Entnahmesystems erhöht; wenn Kohlendixod recycelt wird, werden die Größe des Kompressors für das Recyceln des Kohlendioxids und der Energiebedarf ebenfalls erhöht. Die Auslasstemperatur des Reaktors sollte deshalb sorgfältig spezifiziert, ausgelegt, konstruiert und gesteuert bzw. geregelt werden, um unerwünschtes, überschüssiges Kohlendioxid minimal zu machen.Methane and excess carbon dioxide are generally undesirable in the product gas, as these components reduce the partial pressure of the desired components hydrogen and carbon monoxide, increase the requirements for the Increased syngas compression, increased purge requirements of the downstream syngas consumption process, and resulted in the generation of excess fuel. The generation of excess carbon dioxide also represents a detrimental consumption of oxygen, requiring increased feed air blower capacity and increased reactor size unless the carbon dioxide is recycled for extinction. If carbon dioxide is removed from the syngas product, the size of the carbon dioxide removal system will be increased; if carbon dioxide is recycled, the size of the compressor for recycling the carbon dioxide and the power requirements will also be increased. The reactor outlet temperature should therefore be carefully specified, designed, constructed and controlled to minimize unwanted excess carbon dioxide.
Die Reaktionen (7), (8) und (9) bilden elementaren Kohlenstoff, der für den Betrieb des Reaktors unerwünscht ist. Die Ablagerung von Kohlenstoff, auch als "Verkoken" (coking) bekannt, kann ernsthafte Probleme am Einlass des Reaktors, in dem Reaktor und in den Auslassleitungen in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Reaktor verursachen. Die Reaktion (9) ist als Kohlenwasserstoff-Krackung bekannt, insbesondere das Kracken der höheren Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Ethan, Propan und Butan, die im Erdgas mit niedrigen, jedoch signifikanten Konzentrationen vorhanden sind. Krackung wird durch hohe Temperaturen begünstigt und kann über heißen Metalloberflächen, an Stellen mit Nickel- Katalysator und an acidischen Stellen auf wärmefesten Materialien, wie beispielsweise den Katalysator-Trägern auftreten. Die Einlass-Rohrleitungen für die Reaktionspartner und der Einspeisungsbereich für die Membran-Reaktionszone 37 sind insbesondere gefährdet gegenüber Kohlenstoff-Ablagerungen durch diesen Mechanismus. Das Ausmaß der Kohlenstoff-Ablagerung durch die Reaktion (9) wird durch die Einspeisungstemperatur des Reaktionspartners, die Zusammensetzung und die Bestandteile sowie auch durch den Gasdruck gesteuert.Reactions (7), (8) and (9) form elemental carbon, which is undesirable for the operation of the reactor. The deposition of carbon, also known as "coking", can cause serious problems at the inlet of the reactor, in the reactor and in the outlet lines downstream of the reactor. Reaction (9) is known as hydrocarbon cracking, particularly the cracking of the higher hydrocarbons such as ethane, propane and butane which are present in natural gas at low but significant concentrations. Cracking is promoted by high temperatures and can occur over hot metal surfaces, at nickel catalyst sites and at acidic sites on refractory materials such as catalyst supports. The inlet piping for the reactants and the feed area for the membrane reaction zone 37 are particularly vulnerable to carbon deposition by this mechanism. The extent of carbon deposition by reaction (9) is controlled by the reactant feed temperature, composition and constituents, as well as by the gas pressure.
Das Vorhandensein von Wasserstoff unter Dampf in der Einspeisung ist günstig, um Kohlenstoffablagerung zu verhindern. Ein Gemisch aus Erdgas und Dampf würde typischer Weise auf eine Vorwärmtemperatur von 1022ºF (550ºC) beschränkt werden. Ein Gemisch, das Methan, Dampf und Wasserstoff, jedoch keine Kohlenwasserstoffe schwerer als Methan enthält, könnte auf höhere Temperaturen über 1200ºF (649ºC) in Abhängigkeit von den relativen Konzentrationen der Komponenten erwärmt werden. Sobald das Reaktionspartner-Gas einmal in die Reaktionszone 37 eingetreten ist und zu reagieren beginnt, verschwinden die schwereren Kohlenwasserstoffe schnell, und eine wesentliche Menge an Wasserstoff ist gebildet, so dass Kracken fortschreitend weniger wahrscheinlich in den folgenden Zonen des Reaktors wird. Die graduelle Permeation des Sauerstoffs durch die gemischte, leitende Membran 47 in den Reaktionspartner ist auch günstig für die Verringerung der Wahrscheinlichkeit für die Kohlenstoffablagerung.The presence of hydrogen under steam in the feed is beneficial to prevent carbon deposition. A mixture of natural gas and steam would typically be preheated to a temperature of 1022ºF (550ºC) A mixture containing methane, steam and hydrogen, but no hydrocarbons heavier than methane, could be heated to higher temperatures in excess of 1200ºF (649ºC) depending on the relative concentrations of the components. Once the reactant gas has entered the reaction zone 37 and begins to react, the heavier hydrocarbons rapidly disappear and a substantial amount of hydrogen is formed so that cracking becomes progressively less likely in the succeeding zones of the reactor. The gradual permeation of oxygen through the mixed conducting membrane 47 into the reactant is also beneficial in reducing the likelihood of carbon deposition.
Die letzte Erwärmung des Reaktionspartner-Gases auf den bevorzugten Reaktionstemperatur-Bereich erfolgt rasch in der Membran-Reaktionszone 37, weil dort die Nettoreaktion exotherm ist, wie oben erörtert wurde. Damit liegt ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, dass das Reaktionspartner-Gas nicht vollständig auf den bevorzugten Temperaturbereich über 1500ºF (816ºC) vor der Memran-Reaktionszone 37 vorgewärmt wird, sondern dass die Reaktionspartner-Gastemperatur in der Reaktionszone 37 ansteigt, wenn dort eine Reaktion abläuft.The final heating of the reactant gas to the preferred reaction temperature range occurs rapidly in the membrane reaction zone 37 because the net reaction there is exothermic, as discussed above. Thus, an essential feature of the present invention is that the reactant gas is not fully preheated to the preferred temperature range above 1500°F (816°C) prior to the membrane reaction zone 37, but rather the reactant gas temperature rises in the reaction zone 37 as a reaction occurs there.
Wenn der heiße Synthesegas-Abstrom 49 aus der Membran-Reaktionszone 37 in den in Strömungsrichtung anschließenden Aggretaten abkühlt, wird er in einen Temperaturbereich eintreten, wo die Kohlenstoffablagerung durch die Reaktion (8), die auch als Boudouard-Reaktion bekannt ist, begünstigt wird. Die exakte Temeperatur hängt primär von den partiellen Drücken von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid in dem Strom ab. Der Kohlenstoff verursacht eine heftige Erosion durch Korrosion von metallischen Oberflächen des in Strömungsrichtung anschließenden Wärmeübertragungsgerätes, beispielsweise an Hochtemperatur-Metalllegierungen, die Nickel enthalten; dies ist ein Phänomen, das weithin als "Metallstauben" ("metall dusting") bekannt ist. Das Metallstauben wird kinetisch unter einer Temperatur von 800ºF (427ºC) blockiert. Damit kann Metallstauben vermieden werden, indem alle metalllischen Oberflächen in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Reaktor auf Temperaturen unter 800ºF (427ºC) gehalten werden. Ein Prozess-Abfallwärmeboiler erreicht dies, indem die Temperatur der Metallrohre nahe bei der Temperatur von kochendem Wasser gehalten wird. Der Wärmefluss und die Dampf-Fraktion in dem kochenden Wasser werden in der Weise beschränkt, dass hohe Kondensationswärme-Übertragungskoeffizienten erzielt Werden. Ein weiterer Ansatz liegt darin, den Synthegas-Abstrom 49 mit einem Strom von warmem Wasser auf eine Temperatur unter 800ºF (427ºC) vor jedem Wärmeaustausch abzuschrecken bzw. abzukühlen.As the hot synthesis gas effluent 49 from the membrane reaction zone 37 cools in the downstream equipment, it will enter a temperature range where carbon deposition is favored by reaction (8), also known as the Boudouard reaction. The exact temperature depends primarily on the partial pressures of carbon monoxide and carbon dioxide in the stream. The carbon causes severe erosion by corrosion of metallic surfaces of the downstream heat transfer equipment, such as high temperature metallic alloys containing nickel; this is a phenomenon widely known as "metal dusting." The metal dusting is kinetically blocked below a temperature of 800ºF (427ºC). Thus, metal dusting can be avoided by maintaining all metallic surfaces downstream of the reactor at temperatures below 800ºF (427ºC). A process waste heat boiler achieves this by increasing the temperature of the metal pipes maintained near the temperature of boiling water. The heat flux and vapor fraction in the boiling water are limited so as to achieve high condensation heat transfer coefficients. Another approach is to quench the synthegas effluent 49 with a stream of warm water to a temperature below 800ºF (427ºC) prior to any heat exchange.
Der Gesamtgasdruck an jedem Punkt auf der Reaktionspartner-Seite 45 ist 100- 900 psig (6,9-62 barg), vorzugsweise von 200-400 psig (13,8-22,6 barg), und vom Einlass 41 zum Auslass 49 tritt ein kleiner Druckabfall auf. Der Gesamtgasdruck an jedem Punkt auf der Oxidationsmittel-Seite 43 liegt im Bereich von 1 bis ungefähr 45 psig (0,069-3,1 barg), nach einer bevorzugten Ausführungsform weniger als 10 psig (0,69 barg), und ein kleiner Druckabfall tritt von Einlass 39 zum Auslass 55 auf. Damit ist es also ein bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass der Gesamtdruck an jedem Punkt auf der Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone größer als der Gesamtdruck an jedem Punkt auf der Oxidationsmittel-Seite der Reaktionszone ist, und dies wird aus den im Folgenden erörterten Gründen bevorzugt.The total gas pressure at any point on the reactant side 45 is 100-900 psig (6.9-62 barg), preferably 200-400 psig (13.8-22.6 barg), and a small pressure drop occurs from inlet 41 to outlet 49. The total gas pressure at any point on the oxidant side 43 is in the range of 1 to about 45 psig (0.069-3.1 barg), in a preferred embodiment less than 10 psig (0.69 barg), and a small pressure drop occurs from inlet 39 to outlet 55. Thus, it is a preferred feature of the present invention that the total pressure at any point on the reactant side of the reaction zone is greater than the total pressure at any point on the oxidant side of the reaction zone, and this is preferred for the reasons discussed below.
Erdgas bzw. Naturgas, das typischer Weise als das Methan enthaltende Gas für das Verfahren, wie es oben beschrieben wurde, verwendet wird, steht durch Rohrleitungen bzw. Pipelines an industriellen Lokationen bei 500-1200 psig zur Verfügung. An Produktions-Bohrstellen bzw. -Bohrlöchern (wellheads) steht es bei 200 bis 2000 psig zur Verfügung, obwohl ungefähr 1000 psig ein typischer Wert ist. Abgase von Petroleum- bzw. Erdölraffinerien stehen bei 60 psig oder höheren Drücken zur Verfügung.Natural gas, typically used as the methane-containing gas for the process described above, is available through pipelines at industrial locations at 500-1200 psig. At production wellheads, it is available at 200 to 2000 psig, although about 1000 psig is typical. Gases from petroleum refineries are available at 60 psig or higher.
Bei den oben erörterten Reaktionen ergibt ein Mol Methan fast ein Mol Kohlenmonoxid, das in ungefähr 3 Molen Synthesegas enthalten ist, dass bei näherungsweise dem Druck auf der Reaktionspartner-Seite des Membran-Reaktors abgezogen wird. Das Verfahren der partiellen Oxidation erfordert in einem typischen Fall ungefähr 0,6 Mol Sauerstoff pro Mol Methan, wozu man minimal ungefähr 3 Mole Luft bei 100% Sauerstoff-Wiedergewinnung benötigt, und wesentlich mehr bei niedrigeren Wiedergewinnungs-Raten.In the reactions discussed above, one mole of methane yields nearly one mole of carbon monoxide contained in approximately 3 moles of syngas withdrawn at approximately the pressure on the reactant side of the membrane reactor. The partial oxidation process typically requires approximately 0.6 moles of oxygen per mole of methane, requiring a minimum of approximately 3 moles of air at 100% oxygen recovery, and considerably more at lower recovery rates.
Luft steht bei Umgebungsdruck zur Verfügung. Die benötigte Kompressor-Energie bzw. -Leistung ist ungefähr proportional zu der molaren Flussrate und dem Logarithmus des Druckverhältnisses. Die Kosten des Kompressors sind mit der aktuellen volumetrischen Strömungsrate bei Einlassbedingungen verknüpft; niedrigere Einlassdrücke können die Kompressorgröße und die Kompressorkosten erhöhen, und zwar sogar bei der gleichen molaren Strömungsrate. Kompressionsverhältnisse von weniger als ungefähr 3 benötigen im allgemeinen nur eine einzige Kompressionsstufe; höhere Verhältnisse benötigen zusätzliche Stufen mit Zwischenkühlern.Air is available at ambient pressure. The compressor power required is approximately proportional to the molar flow rate and the logarithm of the pressure ratio. The cost of the compressor is related to the actual volumetric flow rate at inlet conditions; lower inlet pressures can increase compressor size and cost, even at the same molar flow rate. Compression ratios less than about 3 generally require only a single compression stage; higher ratios require additional stages with intercoolers.
Die folgenden generellen Schlussfolgerungen können, basierend auf der vorhergehenden Diskussion, gezogen werden:The following general conclusions can be drawn based on the previous discussion:
a) es wird bevorzugt, das Methan enthaltende Gas zu komprimieren und nicht die Luft oder das Synthesegas-Produkt, da die Strömungsrate des Methan enthaltenden Gases die niedrigste ist und die Kompression nur minimale Energie bzw. Leistung erfordert; in einigen Fällen kann sogar auf die Kompression verzichtet werden;a) it is preferred to compress the methane-containing gas rather than the air or the syngas product, since the flow rate of the methane-containing gas is the lowest and compression requires minimal energy or power; in some cases compression may even be omitted;
b) das Komprimieren des Produkt-Synthesegases ist weniger erstrebenswert, und zwar primär deshalb, weil es bei näherungsweise dem Dreifachen der Strömungsrate der Methan enthaltenden Gaseinspeisung produziert wird; und(b) compressing the product syngas is less desirable, primarily because it is produced at approximately three times the flow rate of the methane-containing gas feed; and
c) das Komprimieren der Luft ist am wenigsten erwünscht, da es bei der höchsten Strömungsrate durchgeführt werden muss und die Luft bei Umgebungsdruck zur Verfügung steht.c) Compressing the air is the least desirable because it must be done at the highest flow rate and the air is available at ambient pressure.
Deshalb sollte der Membran-Reaktor so ausgelegt werden, dass er mit dem maximalen Druckunterschied zwischen der Reaktionspartner-Seite und der Oxidations-Seite betrieben wird, und zwar in Abhängigkeit von vernünftigen mechanischen und Herstellungs-Einschränkungen. Die Oxidationsmittel-Seite sollte so nahe wie möglich bei Umgebungsdruck betrieben werden, um den Gesamtsystem- Druckabfall zu überwinden, der Membran-Reaktor sollte so ausgelegt werden, dass der darin auftretende Druckabfall minimal wird, und ein Gebläse oder Ventilator wird bevorzugt verwendet, um Luft zu dem Präparationssystem für das Oxidationsmittel des Reaktors zuzuführen.Therefore, the membrane reactor should be designed to operate with the maximum pressure difference between the reactant side and the oxidant side, subject to reasonable mechanical and manufacturing constraints. The oxidant side should be operated as close to ambient pressure as possible to overcome the overall system pressure drop, the membrane reactor should be designed to minimize the pressure drop therein, and a blower or fan is preferably used to supply air to the reactor's oxidant preparation system.
Wenn die Oxidationsmittel und Reaktionspartner-Gase durch die Membran- Reaktionszone 37 fließen, permeiert der Sauerstoff durch die gemischte, leitende Membran 47, und die Reaktionen (1) bis (6) laufen auf der Reaktionspartner-Seite 45 ab, um das gewünschte Synthegas-Produkt zu ergeben. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Reforming-Katalysator auf wenigstens einen Teil der Oberfläche der Reaktionspartner-Seite der gemischten leitenden Membran 47 aufgebracht, um die gewünschten Reaktionen zu beschleunigen bzw. zu begünstigen. Als Alternative hierzu kann ein Reforming-Katalysator in granularer oder Pellet-Form in die Reaktionspartner-Seite 45 in der Nähe der Oberfläche der gemischten leitenden Membran 47 gepackt werden. Katalysatoren für diesen Zweck sind aus dem Stand der Technik bekannt.As the oxidant and reactant gases flow through the membrane reaction zone 37, the oxygen permeates through the mixed conducting membrane 47 and reactions (1) through (6) occur on the reactant side 45 to yield the desired synthegas product. In a preferred embodiment, a reforming catalyst is applied to at least a portion of the reactant side surface of the mixed conducting membrane 47 to promote the desired reactions. Alternatively, a reforming catalyst in granular or pellet form can be packed into the reactant side 45 near the surface of the mixed conducting membrane 47. Catalysts for this purpose are known in the art.
Das Hinzufügen von Dampf 29 zu dem Reaktionspartner-Gas 27 ist sehr erstrebenswert, um die Temperatur zu mäßigen, die Kohlenstoff-Ablagerung zu verhindern oder den gesamten Kohlenstoff zu vergasen, der gebildet wird und als Reaktionspartner der Reaktionspartner-Seite 45 dienen kann. Dampf macht auch den Methan-Rest in dem Synthesegas-Produkt 51 minimal. Das Verhältnis Dampf : Kohlenstoff liegt bevorzugt zwischen 0,5 und 5. Durch Verwendung eines Verhältnisses Dampf : Kohlenstoff von beispielsweise 3,5 kann das nicht-reagierte Methan in dem Synthesegas-Produkt auf näherungsweise 0,5 Vol.-% bei 1650ºF (899ºC) bei 250 psig (17,2 barg) reduziert werden. Ohne den Zusatz von Dampf würde nicht-reagiertes Methan von 0,5 Vol.-% nur bei Temperaturen erreicht, die sich 2400ºF (1315ºC) nähern. Da der Zusatz von Dampf das Verhältnis Kohlendioxid/Kohlenmonoxid erhöht und den Energiewirkungsgrad verringert, sollte die Menge des zugesetzten Dampfes sorgfältig spezifiziert werden.Addition of steam 29 to the reactant gas 27 is highly desirable to moderate the temperature, prevent carbon deposition, or gasify all of the carbon that is formed and can serve as a reactant of the reactant side 45. Steam also minimizes the methane residue in the syngas product 51. The steam:carbon ratio is preferably between 0.5 and 5. By using a steam:carbon ratio of, for example, 3.5, the unreacted methane in the syngas product can be reduced to approximately 0.5 vol.% at 1650°F (899°C) at 250 psig (17.2 barg). Without the addition of steam, unreacted methane of 0.5 vol.% would only be achieved at temperatures approaching 2400°F (1315°C). Since the addition of steam increases the carbon dioxide/carbon monoxide ratio and reduces energy efficiency, the amount of steam added should be carefully specified.
Heißes Synthesegas-Produkt 51 wird am Auslass 49 der Membran-Reaktionszone 37 bei einer Temperatur abgezogen, die größer als 1500ºF (816ºC) ist. Das Synthesegas-Produkt 51 enthält Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit einem moluren Verhältnis Wasserstoff : Kohlenmonoxid von 1 bis 6. Das an Sauerstoff verarmte Oxidationsmittel 53 wird am Auslass 55 mit einer Temperatur unter der des Produkt-Synthesegases 51 abgezogen. Fließen ein Oxidationsmittel und Reaktionspartner in gleicher Richtung, kann die Temperatur des an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittels 53 sich bis auf einen Bereich von 9 bis 180ºF (5-100ºC) der Temperatur des Produkt-Synthesegases 51 nähern. Der Temperatur-Anstieg auf kontrollierte Weise von dem Einlass zu dem Auslass der Membran-Reaktionszone 37 sind wegen der Kombination von individuellen endothermen und exothermen Reaktionen, die darin auftreten, im Netto-Effekt exotherm, wie oben beschrieben wurde.Hot synthesis gas product 51 is withdrawn at outlet 49 of membrane reaction zone 37 at a temperature greater than 1500ºF (816ºC). Synthesis gas product 51 contains hydrogen and carbon monoxide with a hydrogen:carbon monoxide molar ratio of 1 to 6. Oxygen-depleted oxidant 53 is withdrawn at outlet 55 at a temperature below that of the product synthesis gas 51. When an oxidant and reactant flow in the same direction, the temperature of the oxygen-depleted oxidant 53 can approach the temperature of the product synthesis gas 51 to within a range of 9 to 180°F (5-100°C). The temperature rise in a controlled manner from the inlet to the outlet of the membrane reaction zone 37 is exothermic in net effect because of the combination of individual endothermic and exothermic reactions occurring therein, as described above.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform permeieren wenigstens 90% des Sauerstoffs in dem erwärmten Oxidationsmittel 17 die gemischte, leitende Membran 47, so dass das an Sauerstoff verarmte Oxidationsmittel 53 im allgemeinen weniger als 2 Vol.-% Sauerstoff enthält. Eine hohe Sauerstoff-Rückgewinnung wird die Leistungs-Anforderungen an den Kompressor 3 minimal machen, weil nur ein minimales Gasvolumen komprimiert wird.In a preferred embodiment, at least 90% of the oxygen in the heated oxidant 17 permeates the mixed conducting membrane 47 so that the oxygen-depleted oxidant 53 generally contains less than 2% oxygen by volume. High oxygen recovery will minimize the power requirements of the compressor 3 because only a minimal volume of gas is compressed.
Die gemischte, leitende Membran-Reaktionszone 37, wie sie oben beschrieben wurde, wird zur Erläuterung der Verfahrensmerkmale eines Membran-Reaktors im vereinfachten Format präsentiert. In der aktuellen Praxis weist die gemischte, leitende Membran-Reaktionszone 37 einen oder mehrere Reaktor-Module auf, von denen jeder mehrere Membranen mit mehrfachen Oxidationsmittel- und Reaktionspartner-Kanälen oder Zellen enthält, wobei eine einzige Reaktionszelle durch die Oxidationsmittel-Seite 43, die Reaktionspartner-Seite 45 und die gemischte leitende Membran 47 nach Fig. 1 gekennzeichnet ist. Verschiedene Auslegungen bzw. Konstruktionen der Membran-Reaktor-Module sind für diesen Zweck in dem Stand der Technik beschrieben worden, wie er in der obigen Hintergrundinformation zusammengestellt wurde, und zu diesen Konstruktionen gehören Module, die sowohl Gleichstrom als auch Querstrom-Strömungen verwenden, wobei rohrförmige, gewellte plattenförmige und monolithische Konfigurationen eingesetzt werden können.The mixed conducting membrane reaction zone 37 as described above is presented in a simplified format to illustrate the process characteristics of a membrane reactor. In actual practice, the mixed conducting membrane reaction zone 37 comprises one or more reactor modules, each containing a plurality of membranes with multiple oxidant and reactant channels or cells, with a single reaction cell characterized by the oxidant side 43, the reactant side 45 and the mixed conducting membrane 47 of Figure 1. Various designs of membrane reactor modules have been described for this purpose in the prior art as summarized in the background information above, and these designs include modules that utilize both cocurrent and crosscurrent flows, and tubular, corrugated plate and monolithic configurations may be employed.
Wieder Bezug nehmend auf Fig. 1 wird das heiße, an Sauerstoff verarmte Oxidationsmittel 53 in die Wärmeübertragungszone 9 eingeführt und tritt aus dieser als abgekühltes Abstromgas 57 aus. Ein größerer Teil des Wärmeinhaltes des heißen, an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittels 53 wird über Wärmetauscher 7, 23 und 33 übertragen, um Verfahrensströme zu erwärmen, wie oben beschrieben wurde. Die Wärmeübertragungszone 9 kann ähnlich den Abgas-Wärmewiedergewinnungssystemen sein, die bei der herkömmlichen Dampf-Methan- Reformierung verwendet werden.Referring again to Fig. 1, the hot, oxygen-depleted oxidant 53 is introduced into the heat transfer zone 9 and exits therefrom as cooled effluent gas 57. A major portion of the heat content of the hot, Oxygen-depleted oxidant 53 is transferred through heat exchangers 7, 23 and 33 to heat process streams as described above. The heat transfer zone 9 may be similar to the exhaust heat recovery systems used in conventional steam methane reforming.
Das heiße Synthesegas-Produkt 51 wird rasch auf eine Temperatur unter 800ºF (427ºC) gegen kochendes Wasser durch indirekte Wärmeübertragung in dem Abwärmeboiler 59 und dann weiterhin gegen andere Verfahrensströme (die später definiert werden sollen) in einem oder mehreren Wärmetauschern 61, 63, 65 und 67 gekühlt. Das gekühlte Synthesegas 69 gelangt in einen Phasenseparator 71, von dem kondensiertes Wasser 73 abgezogen und mit dem Boiler-Speisewasser- Ausgleich (makeup) 75 kombiniert wird. Der kombinierte Wasserstrom wird in einem Wärmetauscher 65 erwärmt, um vorgewärmtes Boiler-Speisewasser 77 zu ergeben, das entgast und entlüftet (nicht dargestellt) für den Einsatz in dem Abwärmeboiler 59 wird. Wenn das Verfahren überschüssiges Wasser erzeugt, wird alternativ ein Teil des Kondensats 73 in dem Wärmetauscher 65 vorgewärmt, und der Rest wird als Abwasser (nicht dargestellt) ausgegeben. In Abhängigkeit von der Endbestimmung des Synthesegases wird das gekühlte und entwässerte Synthesegas 79 optional in einem System 81 für die Entfernung von Kohlendioxid behandelt, wobei bekannte Verfahren eingesetzt werden, um einen Teil oder das gesamte Kohlendioxid zu entfernen, das in dem Roh-Synthesegas enthalten ist. Das verarbeitete Synthesegas 85 wird je nach Bedarf in dem Kompressor 87 komprimiert, um das endgültige Synthesegas-Produkt 89 zu ergeben.The hot syngas product 51 is rapidly cooled to a temperature below 800°F (427°C) against boiling water by indirect heat transfer in the waste heat boiler 59 and then further against other process streams (to be defined later) in one or more heat exchangers 61, 63, 65 and 67. The cooled syngas 69 enters a phase separator 71 from which condensed water 73 is withdrawn and combined with the boiler feedwater makeup 75. The combined water stream is heated in a heat exchanger 65 to yield preheated boiler feedwater 77 which is degassed and vented (not shown) for use in the waste heat boiler 59. Alternatively, if the process produces excess water, a portion of the condensate 73 is preheated in the heat exchanger 65 and the remainder is discharged as waste water (not shown). Depending on the final destination of the syngas, the cooled and dewatered syngas 79 is optionally treated in a carbon dioxide removal system 81 using known techniques to remove some or all of the carbon dioxide contained in the raw syngas. The processed syngas 85 is compressed in the compressor 87 as needed to yield the final syngas product 89.
Optional wird ein Teil des Kohlendioxids 83, das aus dem Roh-Synthesegas entfernt wurde, in dem Kompressor 91 komprimiert, um Recycel-Kohlendioxid 31 zur Verfügung zu stellen, wie oben beschrieben wurde. Optional wird ein Teil 93 des Synthesegases 85 unter Verwendung von bekannten Verfahren, wie beispielsweise in einem Druckwechsel-Absorptionssystem 95, abgetrennt, um Wasserstoff 21 wiederzugewinnen, der für die Hydrierung des Speisegases 19 verwendet wird, wie oben beschrieben wurde. Das Abgas 97 von dem Druckwechseladsorptionssystem 95 kann mit Brennstoff 13 kombiniert werden, um Brennstoff 14 in einem Brenner 15 für die Erwärmung des Sauerstoff enthaltenden Gases 11 zur Verfügung zu stellen.Optionally, a portion of the carbon dioxide 83 removed from the raw syngas is compressed in compressor 91 to provide recycled carbon dioxide 31, as described above. Optionally, a portion 93 of the syngas 85 is separated using known techniques, such as in a pressure swing adsorption system 95, to recover hydrogen 21, which is used for hydrogenation of the feed gas 19, as described above. The exhaust gas 97 from the pressure swing adsorption system 95 may be combined with fuel 13 to produce fuel 14 in a Burner 15 for heating the oxygen-containing gas 11.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird Dampf 29 nicht verwendet, und stattdessen wird das behandelte, Methan enthaltende Gas 27 direkt mit Wasserdampf gesättigt, und zwar vor der letzten Erwärmung und Einführung in die gemischte, leitende Membran-Reaktionszone 37. Diese Alternative ist in Fig. 3 dargestellt, gemäß der das behandelte, Methan enthaltende Gas 27 in das Sättigungsaggregat 201 eingeführt wird, wo es mit heißem Wasser 203 in Kontakt gebracht wird, um ein molares Verhältnis Wasser : Kohlenstoff zwischen 0,5 und 5 zu erzielen. Das Sättigungsaggregat 201 kann von jedem beliebigen Typ eines Gas-Flüssigkeits-Kontaktelementes sein, wie beispielsweise ein Sprühturm, ein gepackter Turm oder eine Säule mit Trays. Das Methan enthaltende Gas 205, das nun die erforderte Menge an Wasser enthält, wird optional mit dem Recycel- Kohlendioxid 31 kombiniert und zu dem Wärmetauscher 33 geführt, wie oben beschrieben wurde. Das Bodenprodukt des Sättigungsaggregates 207 wird mit dem Abschreck-Auffüllwasser 209 kombiniert und kühlt das heiße Synthesegas- Produkt 51 in der Abschreckzone 211 schroff ab. Das abgeschreckte Gas und das flüssige Wasser gelangen in die Trennvorrichtung 213, und das davon abzogene Wasser wird durch eine Pumpe 215 zu dem Sättigungsaggregat 201 zurückgeführt. Das abgeschreckte Synthesegas 217 wird weiterverarbeitet, wie oben beschrieben wurde.In an alternative embodiment of the invention, steam 29 is not used and instead the treated methane-containing gas 27 is directly saturated with water vapor prior to final heating and introduction into the mixed conducting membrane reaction zone 37. This alternative is illustrated in Figure 3, in which the treated methane-containing gas 27 is introduced into the saturation unit 201 where it is contacted with hot water 203 to achieve a water:carbon molar ratio of between 0.5 and 5. The saturation unit 201 may be any type of gas-liquid contact element such as a spray tower, a packed tower or a column with trays. The methane-containing gas 205, now containing the required amount of water, is optionally combined with the recycled carbon dioxide 31 and passed to the heat exchanger 33 as described above. The bottoms product of the saturator 207 is combined with the quench make-up water 209 and rapidly cools the hot syngas product 51 in the quench zone 211. The quenched gas and liquid water enter the separator 213 and the water withdrawn therefrom is returned to the saturator 201 by a pump 215. The quenched syngas 217 is further processed as described above.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die latente Wärme für die Sättigung des Methan enthaltenden Gases 27 mit Wasser aus dem heißen Synthesegas-Produkt 51 unter Verwendung von Wasser als "Wärmeshuttle" erhalten, und es wird kein externer Dampf benötigt. Diese Ausführungsform ist nützlich, wenn Export-Dampf keinen Wert hat oder wenn kein zusätzlicher Dampf an anderen Stellen in dem Synthegase-Verfahren benötigt ist. Damit würde der Boiler 59 nach Fig. 1 nicht dazu verwendet werden, Dampf zu bilden, und stattdessen würde die Ausführungsform nach Fig. 3 bevorzugt werden.In the embodiment of Figure 3, the latent heat for saturating the methane-containing gas 27 with water is obtained from the hot syngas product 51 using water as a "heat shuttle" and no external steam is required. This embodiment is useful when export steam has no value or when additional steam is not needed elsewhere in the syngas process. Thus, the boiler 59 of Figure 1 would not be used to generate steam and instead the embodiment of Figure 3 would be preferred.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt, bei der das Methan enthaltende Speisegas und das Sauerstoff enthaltende Gas auf alternative Weise erwärmt werden. Bei dieser Ausführungsform werden das Methan enthaltende Gas 301 und das Reaktionspartner-Gas 303 in einem Prozessofen 305 erwärmt, der mit Brennstoff 307 und Verbrennungsluft 309 gespeist wird, wie es üblicher Weise bei autothermalen Reforming- und Teiloxidations-Synthesegas- Prozessen praktiziert wird. Das Sauerstoff enthaltende Gas 311, bevorzugt Luft, wird in einem Kompressor 313 unter Druck gesetzt und in dem Gas- Gaswärmetauscher 315 gegen heißes Gas 317 erwärmt (wie später definiert werden sollen). Das erwärmte Oxidationsmittel 319 und das erwärmte Reaktionspartner-Gas 321 gelangen in die gemischte, leitende Membran-Reaktionszone 37, wo Synthesegas gebildet wird, wie oben beschrieben wurde. Das heiße, an Sauerstoff verarmte Oxidationsmittel 323 wird optional mit kühler, frischer Luft 325 kombiniert, um das heiße, komprimierte Gas 317 zu ergeben. Die Abkühlung des heißen, an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittels 323 mit kühler, frischer Luft bzw. kühler Frischluft 325 ermöglicht die Verwendung von weniger kostspieligen Materialien in dem Wärmetauscher 315.A further embodiment of the invention is shown in Fig. 4, in which the methane-containing feed gas and the oxygen-containing gas are fed to alternative In this embodiment, the methane-containing gas 301 and reactant gas 303 are heated in a process furnace 305 fed with fuel 307 and combustion air 309 as is commonly practiced in autothermal reforming and partial oxidation syngas processes. The oxygen-containing gas 311, preferably air, is pressurized in a compressor 313 and heated against hot gas 317 (as will be defined later) in the gas-to-gas heat exchanger 315. The heated oxidant 319 and reactant gas 321 enter the mixed conducting membrane reaction zone 37 where syngas is formed as described above. The hot, oxygen-depleted oxidant 323 is optionally combined with cool, fresh air 325 to yield the hot, compressed gas 317. Cooling the hot, oxygen-depleted oxidant 323 with cool, fresh air or cool fresh air 325 enables the use of less expensive materials in the heat exchanger 315.
Die vorliegende Erfindung enthält also zwei bevorzugte Merkmale bei dem Betrieb eines gemischten, leitenden Membran-Reaktor-Moduls für die Erzeugung von Synthesegas. Zuerst ist die Temperatur des heißen Synthesegas-Produktes 51, wie es am Auslass 49 der Membran-Reaktorzone 37 abgezogen wird, größer als die Temperatur des erwärmten Reaktionspartner-Gases 35 an dem Reaktionspartner-Einlass 41 der Reaktionspartner-Seite 45 der Membran-Reaktionszone 37. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur des Reaktionspartner-Gases 35 unter einem Schwellenwert gehalten, der von den Bestandteilen in der Reaktionspartner-Einspeisung sowie von den Auslegungs- und Betriebsfaktoren abhängt. Der maximale Wert dieser Schwellentemperatur ist 1400ºC (760ºC), aber unter bestimmten Bedingungen kann die bevorzugte Schwellentemperatur niedriger sein. Für einen typischen Erdgasstrom in Mischung mit Dampf ist beispielsweise diese Schwellentemperatur bevorzugt 1022ºF (550ºC). Die Aufrechterhaltung der Temperaturen der Reaktionspartner-Gas-Einspeisungen unter den entsprechenden Schwellentemperaturen wird die Kohlenstoffbildung durch Reaktion (9) in der Einlassleitung, der Verteilungsleitung und dem Einlassbereich der Membran-Reaktionszone 37 verhindern oder minimal machen. Hält man diese Einlasstemperatur unter 1200ºF (635ºC), so ergibt sich der zusätzliche, praktische Vorteil, dass die Gaseinlassleitung zu dem Reaktormodul aus nicht ausgekleidetem Niederlegierungs-Metall und nicht aus einem mit wärmefestem Material ausgekleideten Metall, Hochlegierungsmetall oder keramischem Material hergestellt werden kann. Dies ist ein wünschenswertes Auslegungsmerkmal, weil nicht ausgekleidete Metall-Einlassrohrleitungen die thermische Expansion und Kontraktion der Membran-Reaktor-Modulkomponenten leichter kompensieren können als eine Einlassrohrleitung, die mit wärmefesten Materialien ausgekleidet ist. Nicht ausgekleidete Einlassrohrleitungen aus Metall können zu Wendeln geformt werden, um "Schweineschwänze" ("pigtails") zu bilden, die thermische Auswirkungen an dem Reaktor-Einlass leicht kompensieren. Damit wird die Temperatur des Reaktionspartner-Gases unter der Schwellentemperatur gehalten, und es wird nicht auf den bevorzugten Reaktionstemperaturbereich (größer als 1500ºF (815ºC)) vor der Membran-Reaktionszone 37 vorgewärmt. Damit tritt jede Erwärmung des Reaktionspartner-Gases über die Reaktionspartner-Einheitstemperatur von 950 bis 1400ºF (510 bis 760ºC) mit der gleichzeitigen chemischen Reaktion innerhalb der Membranreaktionszone 37 auf.Thus, the present invention includes two preferred features in the operation of a mixed conducting membrane reactor module for the production of synthesis gas. First, the temperature of the hot synthesis gas product 51 as withdrawn at the outlet 49 of the membrane reactor zone 37 is greater than the temperature of the heated reactant gas 35 at the reactant inlet 41 of the reactant side 45 of the membrane reaction zone 37. In a preferred embodiment, the temperature of the reactant gas 35 is maintained below a threshold value which depends on the components in the reactant feed as well as on design and operating factors. The maximum value of this threshold temperature is 1400°F (760°C), but under certain conditions the preferred threshold temperature may be lower. For example, for a typical natural gas stream mixed with steam, this threshold temperature is preferably 1022°F (550°C). Maintaining the reactant gas feed temperatures below the appropriate threshold temperatures will prevent or minimize carbon formation from reaction (9) in the inlet line, distribution line and inlet region of the membrane reaction zone 37. Maintaining this inlet temperature below 1200ºF (635ºC) provides the additional practical Advantage that the gas inlet line to the reactor module can be made of unlined low alloy metal rather than a refractory lined metal, high alloy metal or ceramic material. This is a desirable design feature because unlined metal inlet piping can more easily compensate for the thermal expansion and contraction of the membrane reactor module components than inlet piping lined with refractory materials. Unlined metal inlet piping can be coiled to form "pigtails" that easily compensate for thermal effects at the reactor inlet. This keeps the reactant gas temperature below the threshold temperature and does not preheat it to the preferred reaction temperature range (greater than 1500°F (815°C)) prior to the membrane reaction zone 37. Thus, any heating of the reactant gas above the reactant unit temperature of 950 to 1400ºF (510 to 760ºC) occurs with the simultaneous chemical reaction within the membrane reaction zone 37.
Das zweite bevorzugte Merkmal der Erfindung ist, dass der Gasdruck an jedem Punkt auf der Oxidationsmittel-Seite der Membranreaktionszone 37 kleiner als der Druck an jedem Punkt auf der Reaktionspartner-Seite der Zone 37 ist. Dies wird aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt, weil das Synthesegas-Produkt normaler Weise bei einer erhöhten Temperatur benötigt wird und der Reaktionspartner, typischer Weise Erdgas, üblicher Weise zu einem erhöhten Druck zur Verfügung steht und vor der Vorerwärmung nur wenig oder gar keine Kompression benötigt. Der Druck des Oxidationsmittel-Gases, bevorzugt Luft, muss nur ausreichend sein, um jeden Druckabfall durch die Membran-Reaktionszone und die zugehörigen Rohrleitungen und Geräte zu kompensieren. Ein hoher Druck ist nicht erforderlich, um den Partialdruck des Sauerstoffs zu erhöhen, weil der rasche Sauerstoffverbrauch auf der Reaktionspartner-Seite der Membran-Reaktionszone einen ausreichenden Sauerstoff-Partialdruck-Unterschied an der Membran zur Verfügung stellt. Wie oben beschrieben wurde, permeiert auch wenigstens ungefähr 90 % des Sauerstoffs in dem erwärmten Oxidationsmittel 17 (bevorzugt Luft), die gemischte leitende Membran 47, wodurch die erforderliche Strömungsrate des Oxidationsmittel-Gases minimal gemacht wird. Macht man den erforderlichen Druck und die Strömungsrate des Oxidationsmittel-Gases minimal, so wird also auch die Leistungs- bzw. Energieanforderungen für den Kompressor 3 minimal gemacht. Wegen der niedrigeren Druckanforderungen kann zusätzlich ein Gebläse als Kompressor 3 verwendet werden, wodurch sich die Kapitalkosten weiter verringern lassen.The second preferred feature of the invention is that the gas pressure at any point on the oxidant side of the membrane reaction zone 37 is less than the pressure at any point on the reactant side of the zone 37. This is preferred for economic reasons because the synthesis gas product is normally required at an elevated temperature and the reactant, typically natural gas, is usually available at an elevated pressure and requires little or no compression prior to preheating. The pressure of the oxidant gas, preferably air, need only be sufficient to compensate for any pressure drop through the membrane reaction zone and associated piping and equipment. High pressure is not required to increase the partial pressure of oxygen because the rapid consumption of oxygen on the reactant side of the membrane reaction zone provides a sufficient oxygen partial pressure differential at the membrane. Also, as described above, at least about 90% of the oxygen in the heated oxidant 17 (preferably air) permeates the mixed conducting membrane 47, thereby minimizing the required flow rate of the oxidant gas. Making the required pressure and the flow rate of the oxidant gas is minimized, so the power or energy requirements for the compressor 3 are also minimized. Because of the lower pressure requirements, a blower can also be used as compressor 3, which can further reduce the capital costs.
Die Erzeugung von Synthesegas unter Verwendung des Verfahrens nach Fig. 1 wurde durch Wärme- und Material-Balance-Berechnungen modelliert, um eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darzustellen. Luft 1 wird in einem Gebläse 3 auf 10 psig (0,69 barg) komprimiert, in dem Wärmetauscher 7 und dem Brenner 15 vorgewärmt, und das sich ergebende Verbrennungsgas 17 bei 1200ºF (649ºC) mit einer Sauerstoff-Konzentration von 17 Vol.-% bei einer Strömungsrate von 2240 lbmoles/hr (10170 kgmole/h) wird in die Oxidationsmittel-Seite 43 der Membran-Reaktionszone 37 eingeführt. Das Reaktionspartner-Gemisch 27 bei 285 psig (19,7 barg), das 80 Vol.-% Methan und 20 Vol.-% Wasserstoff bei einer Strömungsrate von 6772 lbmoles/hr (3072 kgmole/h) enthält, wird mit 2701 lmboles/hr (1225 kgmole/h) Kohlendioxid 31 und 8668 lbmoles/hr (3932 kgmole/h) Dampf 29 kombiniert, um ein molares Verhältnis Dampf/Kohlenstoff von 1,6 zu ergeben. Ein Hydrierungsreaktor 25 wird nicht benötigt, und ein PSA (für pressure swing adsorption = Druckwechsel-Adsorption) System wird nicht verwendet. Der sich ergebende Strom wird in dem Wärmetauscher 33 erwärmt, und der erwärmte Reaktionspartner 35 bei 1200ºF (649ºC) wird auf die Reaktionspartner-Seite 45 der Membran-Reaktionszone 37 geführt. Der Sauerstoff permeiert durch die gemischte, leitende Membran 47 und reagiert mit den Gaskomponenten des Reaktionspartners, um Synthesegas zu bilden, wie oben beschrieben wurde.The production of synthesis gas using the process of Figure 1 was modeled by heat and material balance calculations to illustrate an embodiment of the present invention. Air 1 is compressed to 10 psig (0.69 barg) in a blower 3, preheated in the heat exchanger 7 and the combustor 15, and the resulting combustion gas 17 at 1200°F (649°C) with an oxygen concentration of 17 vol% at a flow rate of 2240 lbmoles/hr (10170 kgmole/h) is introduced into the oxidant side 43 of the membrane reaction zone 37. The reactant mixture 27 at 285 psig (19.7 barg) containing 80 vol% methane and 20 vol% hydrogen at a flow rate of 6772 lbmoles/hr (3072 kgmole/h) is combined with 2701 lbmoles/hr (1225 kgmole/h) carbon dioxide 31 and 8668 lbmoles/hr (3932 kgmole/h) steam 29 to give a steam/carbon molar ratio of 1.6. A hydrogenation reactor 25 is not required and a pressure swing adsorption (PSA) system is not used. The resulting stream is heated in heat exchanger 33 and the heated reactant 35 at 1200°F (649°C) is passed to the reactant side 45 of the membrane reaction zone 37. The oxygen permeates through the mixed conducting membrane 47 and reacts with the reactant gas components to form synthesis gas as described above.
Die an Sauerstoff verarmte Luft 53, die 2 Vol.-% Sauerstoff enthält, wird bei 1742ºF (950ºC) entzogen, in der Wärmetauscherzone 9 abgekühlt und als Abgas 57 bei 289ºF (143ºC) ausgestoßen. Das Synthesegas-Produkt 51 wird bei 1742ºF (950ºC) abgezogen und auf 750ºF (399ºC) in dem Abfallwärmboiler 59 abgekühlt. Nach dem weiteren Abkühlen auf 100ºF (38ºC) in verschiedenen Wärmetauscher- Schritten, wie oben beschrieben wurde, und nach dem Entwässern wird 90% des Synthesegases 79 in einem MEA Wäscher 81 verarbeitet, um Kohlendioxid 83 zu entfernen, das auf 285 psig (19,7 barg) komprimiert, als Strom 31 recycelt und mit dem Reaktionspartner 27 kombiniert wird. Die verbleibenden 10% des Synthesegases (nicht dargestellt) werden mit dem Synthesegas 85 kombiniert und auf 600 psig (41,4 barg) komprimiert, um das endgültige Synthesegas-Produkt 89 mit einem molaren Verhältnis Wasserstoff/Kohlenmonoxid von 2,15 bei einer Strömungsrate von 16249 lbmoles/hr (7370 kgmole/h) zur Verfügung zu stellen. Das Produkt-Synthesegas enthält 1,9 Vol.-% Kohlendioxid und 0,5 Vol.-% Methan.The oxygen-depleted air 53, containing 2 vol.% oxygen, is withdrawn at 1742ºF (950ºC), cooled in the heat exchange zone 9 and discharged as exhaust gas 57 at 289ºF (143ºC). The synthesis gas product 51 is withdrawn at 1742ºF (950ºC) and cooled to 750ºF (399ºC) in the waste heat boiler 59. After further cooling to 100ºF (38ºC) in various heat exchange zones steps as described above and after dewatering, 90% of the syngas 79 is processed in an MEA scrubber 81 to remove carbon dioxide 83 which is compressed to 285 psig (19.7 barg), recycled as stream 31 and combined with reactant 27. The remaining 10% of the syngas (not shown) is combined with the syngas 85 and compressed to 600 psig (41.4 barg) to provide the final syngas product 89 having a hydrogen/carbon monoxide molar ratio of 2.15 at a flow rate of 16249 lbmoles/hr (7370 kgmole/h). The product syngas contains 1.9 vol% carbon dioxide and 0.5 vol% methane.
Ein gemischter, leitender Membran-Reaktor mit einer Gleichstrom- Strömungskonfiguration wurde durch Gleichgewichts-, Wärme- und Material- Balance-Berechnungen simuliert, um die Leistung bzw. den Wirkungsgrad des Reaktors als Funktion der Auslasstemperatur darzustellen. Der Reaktor wird in einem Gleichstrom-Modus betrieben, bei dem ein Luft-Brennstoff-Verbrennungsprodukt das Oxidationsmittel-Gas ist und ein Methan-Wasserstoff-Dampf-Gemisch als das Reaktionspartner-Gas mit einem molaren Verhältnis Methan/Wasserstoff von 4,0 und einem molaren Verhältnis Dampf/Kohlenstoff von 1,6 in den Reaktor eintreten. Die Einlasstemperatur sowohl für die Luft als auch für den Reaktionspartner ist 1200ºF (649ºC), der Einspeisungsdruck der Luft ist kleiner 10 psig (0,7 barg), und der Auslassdruck des Synthesegases ist 250 psig (17,3 barg). Die gemischte, leitende Membran kann jede Membran sein, die selektiv für Sauerstoff bei diesen Temperaturen durchlässig ist. Es wird angenommen, dass der gesamte durchgelassene Sauerstoff verbraucht werden soll, und weiterhin wird angenommen, dass sich das Synthegas-Produkt 49 in dem Reformierungs- und dem katalytischen Kohlenoxid-Konvertierungs-Gleichgewicht befindet. Gleichgewichtskonstanten für die Dampf-Reformierungs- und katalytischen Kohlenoxid-Konvertierungs-Reaktionen sind auf diesem Gebiet bekannt (siehe beispielsweise die Broschüre mit dem Titel "Physical and Thermodynamic Properties of Elements and Compounds" (Physikalische und thermodynamische Eigenschaften von Elementen und Verbindungen"), veröffentlicht von United Catalysts, Inc. oder die Tabelle 2 in dem Lehrbuch mit dem Titel "Catalytic Steam Reforming" ("Katalytische Dampf-Reformierung") von Jens R. Rostrup-Nielsen, Springer-Verlag, 1984). Veröffentliche Gleichgewichtskonstanten wurden einer Kurvenanpassung unterworfen und bei den Simulationsberechnungen verwendet.A mixed conducting membrane reactor with a cocurrent flow configuration was simulated by equilibrium, heat and material balance calculations to show the performance or efficiency of the reactor as a function of outlet temperature. The reactor is operated in a cocurrent mode with an air-fuel combustion product as the oxidant gas and a methane-hydrogen vapor mixture entering the reactor as the reactant gas with a methane/hydrogen molar ratio of 4.0 and a steam/carbon molar ratio of 1.6. The inlet temperature for both the air and reactant is 1200ºF (649ºC), the air feed pressure is less than 10 psig (0.7 barg), and the syngas outlet pressure is 250 psig (17.3 barg). The mixed conducting membrane can be any membrane that is selectively permeable to oxygen at these temperatures. It is assumed that all of the oxygen passed through is to be consumed and it is further assumed that the synthegas product 49 is in the reforming and catalytic carbon monoxide shift equilibrium. Equilibrium constants for the steam reforming and catalytic carbon monoxide shift reactions are known in the art (see, for example, the brochure entitled "Physical and Thermodynamic Properties of Elements and Compounds" published by United Catalysts, Inc. or the Table 2 in the textbook entitled "Catalytic Steam Reforming" by Jens R. Rostrup-Nielsen, Springer-Verlag, 1984). Published equilibrium constants were curve-fitted and used in the simulation calculations.
Die Sauerstoffkonzentration in dem an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittel-Gas von dem Reaktor beträgt 2 Vol.-%. Es wird angenommen, dass die Auslasstemperatur des an Sauerstoff verarmten Oxidationsmittel-Gases und die Auslasstemperatur des Reaktionspartnergases im wesentlichen gleich sind. Es wird außerdem angenommen, dass kein Wärmeverlust von dem Reaktor auftritt, so dass ein adiabatischer Betrieb realisiert wird. Wärme- und Stoffbalance-Berechnungen wurden bei ausgewählten Auslasstemperaturen ausgeführt, und die Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt, die die Methan-Umwandlung, das Verhältnis Wasserstoff/Kohlenmonoxid, die Sauerstoff-Permeation und die Kohlendioxid-Erzeugung als eine Funktion der Auslasstemperatur des Reaktors angibt. Temperaturen über 2732ºF (1500ºC) dienen nur zu Erläuterungszwecken, und Materialbeschränkungen würden höhere Temperaturen unpraktisch machen.The oxygen concentration in the oxygen-depleted oxidant gas from the reactor is 2 vol. The oxygen-depleted oxidant gas outlet temperature and the reactant gas outlet temperature are assumed to be substantially equal. It is also assumed that no heat loss from the reactor occurs, so that adiabatic operation is realized. Heat and mass balance calculations were performed at selected outlet temperatures and the results are presented in Figure 5, which gives methane conversion, hydrogen/carbon monoxide ratio, oxygen permeation and carbon dioxide production as a function of reactor outlet temperature. Temperatures above 2732ºF (1500ºC) are for illustrative purposes only and material limitations would make higher temperatures impractical.
Es läßt sich erkennen, dass die Methanumwandlung rasch ansteigt und bei etwas über 1000ºC vollständig ist. Das Verhältnis Wasserstoff/Kohlenmonoxid nimmt ab, wenn die Temperatur ansteigt, was durch den Trend des Gleichgewichtes der umgekehrten Wassergas-Verschiebungs- bzw. katalytischen Kohlenoxid-Konvertierung diktiert wird. Die kumulative Sauerstoffmenge, die durch die Membran geströmt ist, nimmt mit der Temperatur zu, und die Temperatur nimmt wegen der in der Netto-Wirkung exothermen chemischen Reaktionen zu, die in der Reaktionszone auftreten und den permeierten Sauerstoff verbrauchen. Die Kohlendioxid- Erzeugung nimmt zunächst mit der Temperatur aufgrund des Gleichgewichtes der umgekehrten Kohlenoxid-Konvertierungsreaktion zu, und steigt nach einem Minimum bei ungefähr 1100ºC langsam und dann rascher an. Die rasche Erhöhung der Kohlendioxid-Erzeugung bei höheren Temperaturen tritt auf, weil im Wesentlichen das gesamte Methan umgewandelt worden ist, und die Produkte Wasserstoff und Kohlenmonoxid beginnen zu verbrennen, wenn zusätzlicher Sauerstoff durch die Membran getreten ist. Dies setzt sich fort, bis alle verbrennbaren Komponenten verbraucht sind, und die Temperatur die adiabatische Flammentemperatur erreicht (in Fig. 5 nicht dargestellt). Die adiabatische Flammentemperatur ist ein Charakteristikum des Verbundes aus Reaktionspartner-Einspeisung 41 und Oxidationsmittel-Einspeisung 39.It can be seen that methane conversion increases rapidly and is complete at just over 1000ºC. The hydrogen/carbon monoxide ratio decreases as temperature increases, dictated by the trend of reverse water gas shift or catalytic carbon monoxide shift equilibrium. The cumulative amount of oxygen passed through the membrane increases with temperature, and temperature increases because of the net exothermic chemical reactions occurring in the reaction zone which consume the permeated oxygen. Carbon dioxide production initially increases with temperature due to reverse carbon monoxide shift reaction equilibrium, and increases slowly and then more rapidly after a minimum at about 1100ºC. The rapid increase in carbon dioxide production at higher temperatures occurs because essentially all of the methane has been converted, and the products hydrogen and carbon monoxide begin to burn as additional oxygen has passed through the membrane. This continues until all of the combustible components are consumed and the temperature reaches the adiabatic flame temperature. (not shown in Fig. 5). The adiabatic flame temperature is a characteristic of the combination of reactant feed 41 and oxidant feed 39.
Diese Ergebnisse stellen die Verwendung von gesteuerter Sauerstoff-Permeation und hoher Sauerstoff-Wiedergewinnung dar, um Synthesegas zu erzeugen, wobei der Membran-Reaktor bei Bedingungen betrieben wird, bei denen der Druck auf der Reaktionspartner-Seite größer als der Druck auf der Oxidationsmittel- (Luft)Seite ist.These results demonstrate the use of controlled oxygen permeation and high oxygen recovery to produce syngas, with the membrane reactor operated at conditions where the pressure on the reactant side is greater than the pressure on the oxidant (air) side.
Dieses Beispiel stellt den Betrieb des Membran-Reaktors bei einem konstanten Verhältnis Wasserstoff/Kohlenmonoxid mit Recyceln des Kohlendioxids dar. Alle anderen Bedingungen, Annahmen und Berechnungsmethoden sind identisch mit denen nach Beispiel 2. Wärme- und Stoff-Ausgleichsberechnungen wurden bei ausgewählten Auslasstemperaturen durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt, die die Menthan-Umwandlung, das Verhältnis Wasserstoff/Kohlenmonoxid, die Sauerstoff-Permeation, das Kohlendioxid-Recyceln und die Kohlendioxid-Erzeugung als eine Funktion der Auslasstemperatur des Reaktors darstellt.This example represents operation of the membrane reactor at a constant hydrogen/carbon monoxide ratio with carbon dioxide recycling. All other conditions, assumptions and calculation methods are identical to those of Example 2. Heat and mass balance calculations were performed at selected outlet temperatures and the results are shown in Fig. 6, which plots menthane conversion, hydrogen/carbon monoxide ratio, oxygen permeation, carbon dioxide recycling and carbon dioxide production as a function of reactor outlet temperature.
Kohlendioxid wird aus dem Synthesegas-Produkt entfernt und in die Reaktor- Einspeisung zurückgeführt, und die recycelte Menge wird auf den möglichen Umfang eingestellt, um ein molares Verhältnis H&sub2;/CO von 2,15 zu ergeben. Dieses Synthesegas ist eine geeignete Einspeisung beispielsweise für das Fischer-Tropf- Verfahren für die Synthese von höheren Kohlenwasserstoffen. Ein kontrolliertes molares Verhältnis von 2,15 ist bei Reaktor-Ausgangstemperaturen zwischen 815ºC und 1399ºC möglich. Unter 815ºC kann das molare Verhältnis H&sub2;/CO sogar dann nicht auf 2,15 reduziert werden, wenn das gesamte Kohlendioxid recycelt wird. Über 1399ºC kann sogar ohne Kohlendioxid-Recyceln das Verhältnis H&sub2;/CO nicht auf 2,15 erhöht werden. Die Menge des recycelten Kohlendioxids nimmt kontinuierlich mit sich erhöhender Temperatur ab. Die Entnahme und das Recyceln von Kohlendioxid ist kostspielig. Wenn es wünschenswert ist, das Recyceln des Kohlendioxids minimal zu machen oder zu eliminieren, werden die Ausgangs- Temperaturen des Reaktors auf den Bereich von 1300 bis 1400ºC ansteigen. Die Anforderungen in Bezug auf die Sauerstoff-Permeation nehmen jedoch auch monoton zu, da eine zunehmende Menge an Kohlendioxid in dem Reaktor erzeugt wird, und zwar auf Kosten der Erzeugung von Kohlenmonoxid.Carbon dioxide is removed from the syngas product and recycled to the reactor feed and the amount recycled is adjusted to the extent possible to give a H₂/CO molar ratio of 2.15. This syngas is a suitable feed for, for example, the Fischer-Drip process for the synthesis of higher hydrocarbons. A controlled molar ratio of 2.15 is possible at reactor exit temperatures between 815ºC and 1399ºC. Below 815ºC, the H₂/CO molar ratio cannot be reduced to 2.15 even if all the carbon dioxide is recycled. Above 1399ºC, even without carbon dioxide recycling, the H₂/CO ratio cannot be increased to 2.15. The amount of carbon dioxide recycled decreases continuously with increasing temperature. The removal and recycling of carbon dioxide is costly. If it is desirable to minimize or eliminate carbon dioxide recycling, reactor exit temperatures will increase to the range of 1300-1400ºC. However, oxygen permeation requirements also increase monotonically as an increasing amount of carbon dioxide is produced in the reactor at the expense of carbon monoxide production.
Jede überschüssige Menge an erzeugtem Kohlendioxid, die nicht recycelt wird, wird in dem Produktsynthese-Gas zurückbleiben, was ebenfalls unerwünscht ist, da dies eine Vergeudung von permeiertem Sauerstoff und ebenfalls von Kohlenstoff-Atomen in der Methan enthaltenden Einspeisung ist. Zusätzlich erhöht es die Spül- bzw. Reinigungsanforderungen der sich stromabwärts anschließenden Verarbeitungssektion, und es erhöht den Gesamtenergie-Export der Anlage als Dampf oder Brennstoffgas. Damit ist die optimale Auslasstemperatur des Reaktors wahrscheinlich etwas niedriger als 1300ºC. Die Methan-Umwandlung ist bei 1000ºC vollständig, wie in Beispiel 2. Unter ungefähr 816ºC würde eine signifikante Menge an nicht-umgewandeltem Methan in dem Synthesegas-Produkt zurückbleiben, was im Allgemeinen die gleichen Nachteile hat, wie sie oben für Kohlendioxid in dem Synthesegas-Produkt beschrieben wurden. Damit ist die optimale Auslasstemperatur des Reaktors für diesen speziellen Fall mit einem Verhältnis von S/C von 1,6 zwischen ungefähr 816ºC und 1300ºC. Andere Verhältnisse Dampf/Kohlenstoff werden andere optimale Bereiche haben - höhere Verhältnisse S/C würden im allgemeinen die gewünschte Temperatur in einen niedrigeren Bereich verschieben.Any excess amount of carbon dioxide produced that is not recycled will remain in the product synthesis gas, which is also undesirable, as it is a waste of permeated oxygen and also of carbon atoms in the methane-containing feed. In addition, it increases the purge requirements of the downstream processing section, and it increases the overall energy export of the plant as steam or fuel gas. Thus, the optimum reactor outlet temperature is probably somewhat lower than 1300ºC. Methane conversion is complete at 1000ºC, as in Example 2. Below about 816ºC, a significant amount of unconverted methane would remain in the synthesis gas product, which generally has the same disadvantages as described above for carbon dioxide in the synthesis gas product. Thus, the optimum reactor outlet temperature for this particular case with a S/C ratio of 1.6 is between about 816ºC and 1300ºC. Other steam/carbon ratios will have different optimal ranges - higher S/C ratios would generally shift the desired temperature to a lower range.
Die vorliegende Erfindung offenbart also die Erzeugung von Synthesegas aus einem Methan enthaltenden Einspeisungsgas unter Verwendung eines gemischten, leitenden Membran-Reaktors, der bei bevorzugten Bedingungen für Temperatur und Druck betrieben wird. Zwei bevorzugte Merkmale werden für den Betrieb eines gemischten, leitenden Membran-Reaktor-Moduls für die Synthesegas- Erzeugung beschrieben. Zunächst ist die Temperatur des heißen Synthesegas- Produktes, wie es an dem Auslass der Membranreaktions-Zone abgezogen wird, größer als die Temperatur des erwärmten Reaktionspartner-Einspeisungsgases an dem Reaktionspartner-Einlass der Membranreaktionszone. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur der Reaktionspartner- Gaseinspeisung unter einer Schwellentemperatur gehalten, die von den Bestandteilen in der Reaktionspartner-Einspeisung sowie von Auslegungs- und Betriebsfaktoren abhängen. Der maximale Wert dieser Schwellentemperatur ist ungefähr 1400ºF (760ºC), aber die bevorzugte Schwellentemperatur kann unter bestimmten Situationen niedriger sein, wie oben beschrieben wurde. Die Schwellentemperatur ist kleiner als die maximale Temperatur auf der Reaktionspartner-Seite der Reaktionszone. Durch Aufrechterhalten der Temperatur der Reaktionspartner- Gaseinspeisung unter der Schwellentemperatur wird die Kohlenstoff-Ablagerung verhindert und die Verwendung von nicht ausgekleideten Metall-Rohrleitungen und Rohrkrümmern an dem Reaktor-Einlass ermöglicht.The present invention thus discloses the production of synthesis gas from a methane-containing feed gas using a mixed conducting membrane reactor operated at preferred conditions of temperature and pressure. Two preferred features are described for the operation of a mixed conducting membrane reactor module for synthesis gas production. First, the temperature of the hot synthesis gas product as withdrawn at the outlet of the membrane reaction zone is greater than the temperature of the heated reactant feed gas at the reactant inlet of the membrane reaction zone. According to a preferred In one embodiment, the reactant gas feed temperature is maintained below a threshold temperature which depends on the components in the reactant feed and on design and operating factors. The maximum value of this threshold temperature is approximately 1400°F (760°C), but the preferred threshold temperature may be lower under certain situations, as described above. The threshold temperature is less than the maximum temperature on the reactant side of the reaction zone. Maintaining the reactant gas feed temperature below the threshold temperature prevents carbon deposition and enables the use of unlined metal piping and elbows at the reactor inlet.
Das zweite bevorzugte Merkmal der Erfindung liegt darin, dass der Gasdruck auf der Oxidationsmittel-Seite der Membranreaktionszone kleiner als der Gasdruck auf der Reaktionspartner-Seite ist. Dies wird aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt, weil das Synthesegas-Produkt normaler Weise bei einem erhöhten Druck vorliegen muss und der Reaktionspartner, typischer Weise Erdgas, üblicherweise bei einem erhöhten Druck zur Verfügung steht und vor der Vorerwärmung nur wenig oder gar keine Kompression erfordert. Der Druck des Oxidationsmittel-Gases, bevorzugt Luft, muss nur ausreichend sein, um den Druckabfall über die Membranreaktionszone und die zugehörigen Rohrleitungen und Geräte zu kompensieren. Ein hoher Druck wird nicht benötigt, um den Sauerstoff-Partialdruck zu erhöhen, weil der rasche Sauerstoff-Verbrauch auf der Reaktionspartner-Seite der Membranreaktionszone eine ausreichende Sauerstoff-Partialdruck-Differenz über der Membran zur Verfügung stellt. Durch Minimieren des erforderlichen Druckes und der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsmittel-Gases werden die Leistungsanforderungen für die Kompression minimal gemacht. Wegen der niedrigeren Druckanforderungen kann zusätzlich ein Gebläse statt eines Kompressors benutzt werden, wodurch sich die Kapitalkosten verringern fassen.The second preferred feature of the invention is that the gas pressure on the oxidant side of the membrane reaction zone is less than the gas pressure on the reactant side. This is preferred for economic reasons because the synthesis gas product must normally be at an elevated pressure and the reactant, typically natural gas, is usually available at an elevated pressure and requires little or no compression prior to preheating. The pressure of the oxidant gas, preferably air, only needs to be sufficient to compensate for the pressure drop across the membrane reaction zone and associated piping and equipment. High pressure is not needed to increase the oxygen partial pressure because the rapid oxygen consumption on the reactant side of the membrane reaction zone provides a sufficient oxygen partial pressure difference across the membrane. By minimizing the required pressure and flow rate of the oxidizer gas, the power requirements for compression are minimized. Additionally, because of the lower pressure requirements, a blower can be used instead of a compressor, thereby reducing capital costs.
Die wesentlichen Kennzeichen der vorliegenden Erfindung werden vollständig in der obigen Offenbarung beschrieben. Der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet kann die Erfindung verstehen und kann verschiedene Modifikationen vornehmen, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung und von dem Umfang und den Äquivalenten der nun folgenden Ansprüche abzuweichen.The essential characteristics of the present invention are fully described in the above disclosure. Those skilled in the art can understand the invention and can make various modifications, without departing from the spirit of the invention and from the scope and equivalents of the claims that follow.
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